Notícia

Material ultraleve e resistente pode ajudar no armazenamento de energia e na captura de carbono

Fonte

Universidade Rice

Data

domingo, 9 abril 2023 15:30

Áreas

Energia. Engenharia Ambiental. Materiais. Nanotecnologia. Tecnologias.

Os materiais 2D obtêm sua resistência de sua estrutura semelhante a uma folha, com espessura de um átomo. No entanto, empilhar várias camadas de um material 2D pode exaurir as qualidades que o tornam tão útil.

O Dr. Jun Lou, professor e chefe do Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia da Universidade Rice, nos Estados Unidos, e colaboradores da Universidade de Maryland, mostraram que o ajuste fino das interações intercamadas em uma classe de polímeros 2D conhecidos como estruturas orgânicas covalentes (COFs) pode determinar a perda ou retenção de propriedades mecânicas desejáveis em multicamadas ou em volume. No processo, os pesquisadores desenvolveram um material leve com alta rigidez e resistência que preserva suas propriedades 2D mesmo como uma pilha multicamada, de acordo com um estudo publicado na revista científica Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).

A descoberta é um primeiro passo para permitir o uso de polímeros 2D em aplicações multifuncionais em larga escala, onde as propriedades mecânicas são importantes, e podem abrir as portas para novos sistemas de filtragem de alto desempenho, captura de carbono e tecnologias de armazenamento de energia.

“Isso para nós é um ponto de partida muito empolgante”, disse Jun Lou. “Uma coisa muito boa sobre COFs e outros polímeros 2D é que você tem muitos botões químicos que pode ajustar. Isso significa que você pode projetar racionalmente as interações entre as camadas. Essencialmente, você pode criar sistemas modulares muito fortes usando o design de interação entre camadas”, explicou o pesquisador.

Os pesquisadores observaram como dois COFs com estruturas muito semelhantes se comportam quando várias camadas foram empilhadas juntas e descobriram que uma pequena diferença em sua estrutura levava a padrões completamente diferentes de interação entre camadas.

“Para projetar COFs com interações intercamadas desejáveis, você precisa de informações científicas sobre as estruturas materiais dos COFs”, disse o Dr.  Teng Li, professor de Engenharia Mecânica em Maryland. “Para esse fim, contamos com simulações dos primeiros princípios dos materiais COF em escala molecular para oferecer diretrizes de design cruciais”.

Qiyi Fang, ex-aluno da Universidade Rice e coautor principal do estudo, disse que o laboratório da Universidade Rice projetou dois tipos de COFs com base na visão científica das simulações desenvolvidas por colegas em Maryland.

“Um dos COFs, como a maioria dos materiais 2D, não tem uma interação intercamada muito forte, e a resistência e a elasticidade do material diminuem com o número de camadas adicionadas”, disse Qiyi Fang. “O outro COF, no entanto, exibe forte interação entre camadas e mantém suas boas propriedades mecânicas mesmo com a adição de múltiplas camadas.”

O Dr. Zhenqian Pang, pesquisador de Maryland e coautor do estudo, disse que as simulações ajudaram a identificar por que os dois COFs se comportaram de maneira diferente: “Descobrimos que a forte interação entre camadas no último COF resulta da ligação de hidrogênio significativamente aprimorada entre seus grupos funcionais especiais”, disse o Dr. Pang.

O fato de que fortes interações entre as camadas de material 2D se correlacionam com a persistência de propriedades mecânicas desejáveis na forma multicamada ou a granel do material dá aos pesquisadores uma pista sobre o que é necessário para fazer um material em camadas volumosas que retenha as propriedades mecânicas de sua contraparte 2D .

“Acreditamos que essa forte interação entre camadas se deve principalmente à química da ligação de hidrogênio. As ligações de hidrogênio são universais e ocorrem em muitos sistemas. Em nosso estudo, mostramos que essas ligações de hidrogênio entre as camadas não são apenas bastante fortes, mas também dinâmicas no sentido de que, se quebrarem sob tensão, elas se reconstituem à medida que as camadas deslizam umas sobre as outras”, concluiu o professor Jun Lou.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Rice (em inglês).

Fonte: Silvia Cernea Clark, Universidade Rice. Imagem: amostra do material de estrutura orgânica covalente (mostrado em um substrato de silicone) que os pesquisadores descobriram que preserva suas propriedades mecânicas 2D como uma pilha de múltiplas camadas. Fonte: Gustavo Raskosky, Universidade Rice.