Chamas de alta temperatura são usadas para criar uma ampla variedade de materiais – mas depois que você inicia um incêndio, pode ser difícil controlar como a chama interage com o material que você está tentando processar. Os pesquisadores desenvolveram agora uma técnica que utiliza uma camada protetora da espessura de uma molécula para controlar como o calor da chama interage com o material – domesticando o fogo e permitindo que os usuários ajustem com precisão as características do material processado.



"O fogo é uma ferramenta valiosa de engenharia - afinal, um alto-forno é apenas um incêndio intenso", diz Martin Thuo, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Estadual da Carolina do Norte. "No entanto, depois que você inicia um incêndio, muitas vezes você tem pouco controle sobre como ele se comporta."

"Nossa técnica, que chamamos de degradação térmica inversa (ITD), emprega uma película fina em nanoescala sobre um material alvo. A película fina muda em resposta ao calor do fogo e regula a quantidade de oxigênio que pode acessar o material. Isso significa que podemos controlar a taxa de aquecimento do material - o que, por sua vez, influencia as reações químicas que ocorrem no material. Basicamente, podemos ajustar como e onde o fogo altera o material."

Veja como funciona o ITD. Você começa com o material alvo, como uma fibra de celulose. Essa fibra é então revestida com uma camada de moléculas com espessura nanométrica. As fibras revestidas são então expostas a uma chama intensa. A superfície externa das moléculas entra em combustão facilmente, aumentando a temperatura nas imediações.

Mas a superfície interna do revestimento molecular muda quimicamente, criando uma camada de vidro ainda mais fina ao redor das fibras de celulose. Esse vidro limita a quantidade de oxigênio que pode acessar as fibras, evitando que a celulose pegue fogo. Em vez disso, as fibras ardem – queimando lentamente, de dentro para fora.

“Sem a camada protetora do ITD, aplicar chama às fibras de celulose resultaria apenas em cinzas”, diz Thuo. "Com a camada protetora do ITD, você acaba com tubos de carbono."

"Podemos projetar a camada protetora para ajustar a quantidade de oxigênio que atinge o material alvo. E podemos projetar o material alvo para produzir características desejáveis."

Os pesquisadores conduziram demonstrações de prova de conceito com fibras de celulose para produzir tubos de carbono em microescala.

Os pesquisadores puderam controlar a espessura das paredes dos tubos de carbono controlando o tamanho das fibras de celulose com as quais começaram; introduzindo vários sais nas fibras (o que controla ainda mais a taxa de queima); e variando a quantidade de oxigênio que passa através da camada protetora.

“Já temos várias aplicações em mente, que abordaremos em estudos futuros”, diz Thuo. "Também estamos abertos a trabalhar com o setor privado para explorar vários usos práticos, como o desenvolvimento de tubos de carbono projetados para separação óleo-água - o que seria útil tanto para aplicações industriais quanto para remediação ambiental."

O trabalho está publicado na revista Angewandte Chemie International Edition .

Mais informações: Chuanshen Du et al, Pirólise dirigida espacialmente por meio de adutos de superfície com transformação térmica, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308822
Informações do diário: Angewandte Chemie Edição Internacional

Fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte