Os engenheiros do MIT descobriram uma nova maneira de gerar eletricidade usando minúsculas partículas de carbono que podem criar uma corrente simplesmente interagindo com o líquido ao seu redor.
O líquido, um solvente orgânico, extrai elétrons das partículas, gerando uma corrente que pode ser usada para impulsionar reações químicas ou para alimentar robôs em micro ou nanoescala, dizem os pesquisadores.
“Este mecanismo é novo e esta forma de gerar energia é completamente nova”, diz Michael Strano, o Carbon P. Dubbs Professor de Engenharia Química no MIT. “Essa tecnologia é intrigante porque tudo o que você precisa fazer é fluir um solvente por um leito dessas partículas. Isso permite que você faça eletroquímica, mas sem fios”.
Em um novo estudo que descreve esse fenômeno, os pesquisadores mostraram que poderiam usar essa corrente elétrica para gerar uma reação conhecida como oxidação do álcool - uma reação química orgânica importante na indústria química.
Strano é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Nature Communications. Os principais autores do estudo são o estudante de graduação do MIT Albert Tianxiang Liu e o ex-pesquisador do MIT Yuichiro Kunai. Outros autores incluem o ex-aluno de graduação Anton Cottrill, os pós-doutorandos Amir Kaplan e Hyunah Kim, o estudante de graduação Ge Zhang e os recém-formados no MIT, Rafid Mollah e Yannick Eatmon.
Imagem: Jose-Luis Olivares/MIT (baseado em uma figura cortesia dos pesquisadores).
Propriedades únicas
A nova descoberta surgiu da pesquisa de Strano sobre nanotubos de carbono - tubos ocos feitos de uma rede de átomos de carbono, que têm propriedades elétricas únicas. Em 2010, Strano demonstrou, pela primeira vez, que os nanotubos de carbono podem gerar “ondas termelétricas”. Quando um nanotubo de carbono é revestido com uma camada de combustível, pulsos móveis de calor ou ondas termelétricas viajam ao longo do tubo, criando uma corrente elétrica.
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Esse trabalho levou Strano e seus alunos a descobrir uma característica relacionada aos nanotubos de carbono. Eles descobriram que quando parte de um nanotubo é revestido com um polímero semelhante ao Teflon, ele cria uma assimetria que torna possível que os elétrons fluam da parte revestida para a não revestida do tubo, gerando uma corrente elétrica. Esses elétrons podem ser retirados submergindo as partículas em um solvente faminto por elétrons.
Para aproveitar essa capacidade especial, os pesquisadores criaram partículas geradoras de eletricidade triturando nanotubos de carbono e transformando-os em uma folha de material semelhante a papel. Um lado de cada folha foi revestido com um polímero semelhante ao Teflon, e os pesquisadores então cortaram pequenas partículas, que podem ter qualquer formato ou tamanho. Para este estudo, eles fizeram partículas com 250 mícrons por 250 mícrons.
Quando essas partículas são submersas em um solvente orgânico, como o acetonitrila, o solvente adere à superfície não revestida das partículas e começa a puxar os elétrons para fora delas.
“O solvente tira os elétrons e o sistema tenta se equilibrar movendo os elétrons”, diz Strano. “Não há química sofisticada de bateria dentro. É apenas uma partícula e você a coloca no solvente e ela começa a gerar um campo elétrico”.
“Esta pesquisa mostra de forma inteligente como extrair a onipresente (e muitas vezes despercebida) energia elétrica armazenada em um material eletrônico para síntese eletroquímica no local”, diz Jun Yao, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Massachusetts em Amherst, que não estava envolvido no estudo. “A beleza é que ele aponta para uma metodologia genérica que pode ser prontamente expandida para o uso de diferentes materiais e aplicações em diferentes sistemas sintéticos”.
Poder de partícula
A versão atual das partículas pode gerar cerca de 0,7 volts de eletricidade por partícula. Neste estudo, os pesquisadores também mostraram que eles podem formar matrizes de centenas de partículas em um pequeno tubo de ensaio. Esse reator de “leito compactado” gera energia suficiente para alimentar uma reação química chamada de oxidação do álcool, na qual um álcool é convertido em um aldeído ou cetona. Normalmente, essa reação não é realizada usando eletroquímica porque exigiria muita corrente externa.
“Como o reator de leito compactado é compacto, ele tem mais flexibilidade em termos de aplicações do que um grande reator eletroquímico”, diz Zhang. “As partículas podem ser muito pequenas e não requerem nenhum fio externo para conduzir a reação eletroquímica”.
Em trabalhos futuros, Strano espera usar esse tipo de geração de energia para construir polímeros usando apenas dióxido de carbono como matéria-prima. Em um projeto relacionado, ele já criou polímeros que podem se regenerar usando dióxido de carbono como material de construção, em um processo movido a energia solar. Este trabalho é inspirado na fixação de carbono, o conjunto de reações químicas que as plantas usam para construir açúcares a partir do dióxido de carbono, usando a energia do sol.
No longo prazo, essa abordagem também pode ser usada para alimentar robôs em micro ou nanoescala. O laboratório de Strano já começou a construir robôs nessa escala, que poderão um dia ser usados como diagnósticos ou sensores ambientais. A ideia de ser capaz de extrair energia do ambiente para alimentar esses tipos de robôs é atraente, diz ele.
“Isso significa que você não precisa colocar o armazenamento de energia a bordo”, diz ele. “O que gostamos neste mecanismo é que você pode tirar a energia, pelo menos em parte, do meio ambiente.”
A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA e uma concessão inicial da Iniciativa de Energia do MIT.
