Cientistas desenvolvem nanoporos escorregadios que potencializam a energia azul
A energia osmótica, frequentemente chamada de energia azul, é um método emergente para produzir eletricidade renovável aproveitando a mistura natural de água salgada e água doce. Quando esses dois tipos de água se encontram, íons da água salgada se movem através de uma membrana seletiva de íons em direção à água de menor salinidade. Esse…
A energia osmótica, frequentemente chamada de energia azul, é um método emergente para produzir eletricidade renovável aproveitando a mistura natural de água salgada e água doce. Quando esses dois tipos de água se encontram, íons da água salgada se movem através de uma membrana seletiva de íons em direção à água de menor salinidade. Esse movimento gera uma voltagem que pode ser capturada como eletricidade.
Apesar do seu potencial, a tecnologia enfrentou obstáculos significativos. As membranas projetadas para permitir que os íons passem rapidamente muitas vezes perdem a capacidade de separar cargas de forma eficaz. Além disso, manter a durabilidade estrutural tem se mostrado difícil. Devido a essas limitações, a maioria dos sistemas de energia osmótica permaneceu amplamente restrita a experimentos em laboratório.
Nanoporos Cobertos por Lipídios Melhoram o Fluxo de Íons
Cientistas do Laboratório de Biologia em Nanoscala (LBEN), liderados por Aleksandra Radenovic na Escola de Engenharia da EPFL, juntamente com pesquisadores do Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME), demonstraram agora uma solução para esses problemas. Os resultados foram publicados na Nature Energy.
A equipe melhorou o movimento de íons cobrindo nanoporos com pequenas bolhas lipídicas conhecidas como lipossomos. Em condições normais, esses nanoporos permitem que os íons passem com alta precisão, mas a uma taxa muito lenta. No entanto, quando cobertos pela camada lipídica, os nanoporos permitem que íons selecionados se movimentem com muito mais facilidade. A redução do atrito aumenta significativamente o transporte de íons e impulsiona o desempenho geral do sistema.
“Nosso trabalho reúne os pontos fortes de duas abordagens principais para a colheita de energia osmótica: membranas de polímero, que inspiram nossa arquitetura de alta porosidade; e dispositivos nanofluídicos, que usamos para definir nanoporos altamente carregados”, diz Radenovic. “Ao combinar um layout de membrana escalável com canais nanofluídicos precisamente projetados, conseguimos uma conversão de energia osmótica altamente eficiente e abrimos um caminho para sistemas de energia azul baseados em nanofluídica.”
Lubrificação por Hidratação Dentro dos Nanoporos
A camada lubrificante utilizada no estudo é baseada em bicamadas lipídicas, estruturas comumente encontradas nas membranas de células vivas. Essas bicamadas se assemblam naturalmente quando duas camadas de moléculas de gordura se alinham com suas caudas repelentes de água (hidrofóbicas) voltadas para dentro e suas cabeças atraentes de água (hidrofílicas) voltadas para fora.
Quando aplicadas aos nanoporos em forma de estalactite embutidos em uma membrana de nitreto de silício, as cabeças hidrofílicas voltadas para fora atraem uma camada extremamente fina de água. Essa camada de água é composta por apenas algumas moléculas, mas se adere à superfície do nanoporo e impede que os íons interajam diretamente com ela. Como resultado, o atrito é reduzido e os íons podem passar pelo poro de forma mais suave.
Maior Saída de Energia da Energia Azul
Para testar o design, os pesquisadores produziram uma membrana contendo 1.000 nanoporos cobertos por lipídios dispostos em um padrão hexagonal. Eles então avaliaram o dispositivo sob condições que imitam as concentrações de sal encontradas onde a água do mar e a água dos rios se encontram.
O sistema alcançou uma densidade de potência de cerca de 15 watts por metro quadrado. Essa saída é aproximadamente 2 a 3 vezes maior do que o que as tecnologias atuais de membranas de polímero podem produzir.
Um Passo em Direção a Sistemas Práticos de Energia Azul
Simulações computacionais anteriores sugeriram que melhorar tanto o fluxo de íons quanto a seletividade em canais nanofluídicos poderia aumentar dramaticamente a geração de energia osmótica. No entanto, experimentos demonstrando ambas as melhorias ao mesmo tempo têm sido raros.
“Ao mostrar como o controle preciso sobre a geometria e as propriedades da superfície dos nanoporos pode redefinir fundamentalmente o transporte de íons, nosso estudo move a pesquisa em energia azul para além dos testes de desempenho e para uma verdadeira era de design”, diz o pesquisador do LBEN Tzu-Heng Chen.
O primeiro autor Yunfei Teng observa que a estratégia de “lubrificação por hidratação” da equipe pode ter aplicações além dos sistemas de energia osmótica. “O comportamento de transporte melhorado que observamos, impulsionado pela lubrificação por hidratação, é universal, e o mesmo princípio pode ser estendido além de dispositivos de energia azul”, diz ele.
Imagens Avançadas e Instalações de Pesquisa
O projeto também se baseou na análise detalhada da estrutura e composição química dos nanoporos. Este trabalho foi realizado pelo Dr. Victor Boureau no Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) da EPFL. O suporte adicional veio das instalações compartilhadas da EPFL para nanofabricação, caracterização de materiais e computação de alto desempenho, incluindo CMi, MHMC e SCITAS.
