Uma nova nanofolha automontável poderia acelerar radicalmente o desenvolvimento de nanomateriais funcionais e sustentáveis ​​para eletrônica, armazenamento de energia, saúde e segurança e muito mais.



Desenvolvida por uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), a nova nanofolha automontável poderia estender significativamente a vida útil dos produtos de consumo. E como o novo material é reciclável, também poderá permitir uma abordagem de fabrico sustentável que mantenha as embalagens e os produtos eletrónicos de utilização única fora dos aterros.

A equipe é a primeira a desenvolver com sucesso um material de barreira multifuncional e de alto desempenho a partir de nanofolhas automontáveis. A descoberta foi relatada na Nature .

"Nosso trabalho supera um obstáculo de longa data na nanociência:ampliar a síntese de nanomateriais em materiais úteis para fabricação e aplicações comerciais", disse Ting Xu, o investigador principal que liderou o estudo. “É realmente emocionante porque isso levou décadas para ser feito.”

Xu é cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

Um desafio na colheita da nanociência para criar materiais funcionais é que muitas peças pequenas precisam se unir para que o nanomaterial possa crescer o suficiente para ser útil. Embora o empilhamento de nanofolhas seja uma das maneiras mais simples de transformar nanomateriais em um produto, “defeitos de empilhamento” – lacunas entre as nanofolhas – são inevitáveis ​​ao trabalhar com nanofolhas ou nanoplacas existentes.

"Se você visualizar a construção de uma estrutura 3D a partir de ladrilhos finos e planos, terá camadas na altura da estrutura, mas também terá lacunas em cada camada onde quer que dois ladrilhos se encontrem", disse a primeira autora Emma Vargo, ex- pesquisador estudante de pós-graduação no grupo Xu e agora pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. “É tentador reduzir o número de lacunas aumentando os ladrilhos, mas fica mais difícil trabalhar com eles”, disse Vargo.

O novo material de nanofolhas supera o problema de defeitos de empilhamento, ignorando completamente a abordagem de folhas empilhadas em série. Em vez disso, a equipe misturou misturas de materiais que se automontam em pequenas partículas com camadas alternadas dos materiais componentes, suspensos em um solvente. Para projetar o sistema, os pesquisadores usaram misturas complexas de nanopartículas, pequenas moléculas e supramoléculas baseadas em copolímeros em bloco, todas disponíveis comercialmente.

Experimentos na Fonte de Nêutrons de Espalação do Laboratório Nacional de Oak Ridge ajudaram os pesquisadores a entender os estágios iniciais e grosseiros da automontagem das misturas.

À medida que o solvente evapora, as pequenas partículas se aglutinam e se organizam espontaneamente, moldando camadas grosseiramente e depois solidificando-se em nanofolhas densas. Desta forma, as camadas ordenadas formam-se simultaneamente, em vez de serem empilhadas individualmente num processo em série. As peças pequenas só precisam se deslocar em curtas distâncias para se organizarem e fecharem vãos, evitando os problemas de movimentação de “ladrilhos” maiores e os inevitáveis ​​vãos entre eles.

A partir de um estudo anterior liderado por Xu, os pesquisadores sabiam que a combinação de misturas de nanocompósitos contendo múltiplos "blocos de construção" de vários tamanhos e substâncias químicas, incluindo polímeros complexos e nanopartículas, não só se adaptaria às impurezas, mas também desbloquearia a entropia de um sistema, a desordem inerente em misturas de materiais que o grupo de Xu aproveitou para distribuir os blocos de construção do material.

O novo estudo baseia-se neste trabalho anterior. Os pesquisadores previram que a mistura complexa usada no estudo atual teria duas propriedades ideais:além de ter alta entropia para conduzir a automontagem de uma pilha de centenas de nanofolhas formadas simultaneamente, eles também esperavam que o novo sistema de nanofolhas fosse minimamente afetado por diferentes químicas de superfície. Isto, raciocinaram, permitiria que a mesma mistura formasse uma barreira protetora em várias superfícies, como a tela de vidro de um dispositivo eletrônico ou uma máscara de poliéster.

Demonstrando a facilidade de automontagem e alto desempenho de uma nova nanofolha 2D

Para testar o desempenho do material como revestimento de barreira em diversas aplicações diferentes, os pesquisadores contaram com a ajuda de algumas das melhores instalações de pesquisa do país.

Durante experimentos na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne, os pesquisadores mapearam como cada componente se junta e quantificaram suas mobilidades e a maneira como cada componente se move para desenvolver um material funcional.

Com base nesses estudos quantitativos, os pesquisadores fabricaram revestimentos de barreira aplicando uma solução diluída de polímeros, pequenas moléculas orgânicas e nanopartículas a vários substratos – um béquer e uma membrana de Teflon, filme de poliéster, filmes grossos e finos de silício, vidro e até mesmo um protótipo. de um dispositivo microeletrônico - e então controlando a taxa de formação do filme.

Experimentos de microscópio eletrônico de transmissão na Fundição Molecular do Berkeley Lab mostram que, no momento em que o solvente evaporou, uma estrutura em camadas altamente ordenada de mais de 200 nanofolhas empilhadas com densidade de defeitos muito baixa se automontou nos substratos. Os pesquisadores também fizeram cada nanofolha de 100 nanômetros de espessura com poucos buracos e lacunas, o que torna o material particularmente eficaz na prevenção da passagem de vapor d’água, compostos orgânicos voláteis e elétrons, disse Vargo.

Outros experimentos na Fundição Molecular mostraram que o material tem grande potencial como dielétrico, um material isolante de "barreira eletrônica" comumente usado em capacitores para armazenamento de energia e aplicações de computação.

Em colaboração com pesquisadores da Área de Tecnologias Energéticas do Berkeley Lab, Xu e sua equipe demonstraram que quando o material é usado para revestir membranas porosas de Teflon (um material comum usado para fazer máscaras faciais protetoras), ele é altamente eficaz na filtragem de compostos orgânicos voláteis que podem comprometer a qualidade do ar interior.

Numa experiência final no laboratório de Xu, os investigadores mostraram que o material pode ser redissolvido e remodelado para produzir um novo revestimento de barreira.

Agora que demonstraram com sucesso como sintetizar facilmente um material versátil e funcional para diversas aplicações industriais a partir de um único nanomaterial, os pesquisadores planejam ajustar a reciclabilidade do material e adicionar ajuste de cor (atualmente vem em azul) ao seu repertório.

Mais informações: Ting Xu, Compostos funcionais através da programação do crescimento de nanofolhas orientado pela entropia, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06660-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06660-x
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley