A pesquisa e a tecnologia em nanoescala levam ao desenvolvimento de materiais avançados.

Seu próximo voo de longa distância pode ser em uma aeronave feita quase inteiramente de plástico.

Sim, é verdade. Mas antes de começar a reservar sua próxima viagem de trem, considere a ciência envolvida no desenvolvimento de materiais e o papel que a espectroscopia desempenhou.

Modelos confirmados por espectroscopia Raman com ponta aprimorada (TERS) e microscopia de força atômica Raman (AFM Raman) ajudaram a confirmar modelos e hipóteses importantes com técnicas de pesquisa inovadoras, instrumentação sofisticada e mentes criativas.

Alexei Sokolov ocupa uma cátedra do governador na Universidade do Tennessee e no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), onde lidera o grupo de Materiais Macios e Membranas. O ORNL fica próximo a Knoxville, Tennessee.

Ele observou que a tecnologia TERS convencional pode facilmente investigar um material pela parte inferior, e essa foi a direção tomada pela maioria dos grupos no mundo. Mas essa tecnologia só funciona se a amostra e seu substrato forem transparentes.

“Nós dissemos: bem, para a maioria das nanoestruturas, geralmente temos um substrato não transparente, como silício ou algum substrato metálico, e as amostras também podem não ser transparentes. Portanto, olhar por baixo não funcionará e, olhando por cima, não é possível ver o que aconteceu sob a ponta”, disse Sokolov.

Tratava-se de inverter a perspectiva do problema.

“A única maneira eficaz de observar neste caso é olhando pela lateral”, disse ele. “Naquela época, quando fizemos isso no início dos anos 2000, as pessoas estavam muito céticas porque se trata de uma óptica muito incomum. Com um microscópio normal, você precisa olhar por baixo ou por cima, e nós dissemos: 'não, vamos olhar pela lateral'. Fizemos algumas simulações e análises e demonstramos que, sim, é possível trabalhar dessa forma. E depois que essa tecnologia começou a surgir, empresas como HORIBA e outras a desenvolveram. Então, nesse aspecto, acredito que assumimos um risco e conseguimos financiamento da Fundação Nacional de Ciência para isso. Assumimos o risco, nos esforçamos e demonstramos que, sim, esse é o caminho a seguir.”

Ao observar os materiais em escala nanométrica lateralmente, é possível visualizar a composição química, as estruturas cristalográficas e muitos outros parâmetros que a espectroscopia Raman e de fluorescência podem revelar.

Ele e sua equipe analisaram as interfaces de eletrólito sólido (SEI) em baterias de íon-lítio. Isso porque, durante os ciclos de carga e descarga, formam-se camadas muito finas de reações eletroquímicas nos eletrodos. Essa camada fina é fundamental para proteger a bateria contra falhas futuras, pois interrompe a reação eletroquímica, estabilizando a bateria. Os pesquisadores suspeitavam que a SEI fosse formada por regiões heterogêneas com composições químicas diferentes, mas a extensão dessa heterogeneidade não era clara, e nenhuma técnica conseguia analisar essa escala.

“E foi isso que fizemos”, disse Sokolov. “Com o experimento AFM Raman, tivemos que preparar cada amostra e fazer todas as medições TERS em uma caixa de luvas, porque, uma vez que as amostras são expostas ao ar, a camada SEI será danificada.

Essas foram medições desafiadoras, mas, pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram a heterogeneidade da SEI na escala de ~ 20 a 30 nanômetros, consistindo em diferentes composições químicas.”

Por que isso é importante? Bem, por um lado, informa aos engenheiros o que acontece na interface eletrodo-eletrólito e como projetar melhor essa interface.

E isso resulta em maior eficiência da bateria.

Seu artigo publicado em 2019 revelou claramente a química heterogênea na camada SEI, com tamanho característico de ~10-30 nm. “Pesquisadores anteriores observaram a mistura de diferentes composições químicas na SEI. E a suspeita era, desde o início, de que não se tratava de uma mistura homogênea dessas composições. Haveria uma composição química aqui, outra ali, mas não havia técnica experimental capaz de resolver essa heterogeneidade em nanoescala. O uso TERS nos permitiu revelar essa heterogeneidade e estimar sua escala de comprimento característica.”

Este exemplo demonstra o poder da tecnologia AFM Raman/ TERS na análise da química em locais minúsculos e na heterogeneidade em nanoescala dessa química.

Como o conhecimento dessa heterogeneidade se estende a um melhor design? Seu grupo não seguiu essa direção. Sua área de atuação era a pesquisa básica, e ele cumpriu essa missão.

“Como você sabe, nos Estados Unidos, para fazer ciência, é preciso financiamento. Então, como não tenho financiamento específico para esse tipo de pesquisa, não fomos além, exceto pela análise de alguns eletrodos à base de silício, quando descobrimos alguns tipos de química totalmente novos, cuja existência era desconhecida. Mas com essa análise específica da camada SEI, demonstramos que é possível. O próximo passo lógico seria usar eletrólitos diferentes e analisá-los para mostrar como as camadas são formadas ou o que é formado ao usar diferentes eletrólitos.”

Isso ajudará no desenvolvimento de baterias melhores, pois os fabricantes poderão se concentrar na formação de camadas SEI mais eficientes. Se eles souberem como essa camada é formada e qual a sua função, isso orientará o projeto.

De fato, os pesquisadores do grupo de Sokolov estão trabalhando em eletrólitos e desenvolvendo baterias de estado sólido. Houve bastante sucesso nesse esforço. Sokolov acredita que em breve teremos baterias de estado sólido comerciais. Protótipos já existem. Ele afirma que elas armazenarão o dobro de energia por quilograma, o que significa que seu carro elétrico poderá funcionar duas vezes mais tempo com uma única carga.

E este é um desenvolvimento muito oportuno para o Tennessee, pois a Ford F150 Lightning elétrica será produzida aqui, além da Volkswagen já existente. A Microvast também pretende construir uma "Gigafábrica" não muito longe de Knoxville.

Qual a importância das baterias de estado sólido? Elas são diferentes das baterias convencionais porque não contêm líquidos. Em vez disso, possuem eletrólitos sólidos. Todos esses eletrólitos líquidos são inflamáveis, tóxicos e podem vazar, o que gera muitos problemas de segurança com as baterias convencionais. A substituição dos eletrólitos líquidos por eletrólitos sólidos proporciona baterias muito mais seguras e com maior densidade de energia.

Sokolov também utiliza a espectroscopia Raman com AFM para analisar nanoestruturas e heterogeneidade em materiais nanocompósitos. “Usamos muitos polímeros plásticos e, para torná-los resistentes, geralmente adicionamos nanopartículas. Queremos observar como essas partículas estão dispostas e como alteram as propriedades dos materiais poliméricos ao seu redor. E, normalmente, essas alterações ocorrem em uma escala de apenas alguns nanômetros. É isso que também buscamos analisar”, disse Sokolov.

“Durante muito tempo, discutiu-se que essa camada interfacial se propagava por cem nanômetros ou até mais na matriz polimérica. Nossos estudos demonstram claramente que essa camada interfacial tem apenas alguns nanômetros de espessura.”

Esses materiais nanocompósitos estão presentes no nosso dia a dia, desde pneus de carros até diversas peças internas e externas. "Estamos trabalhando, por exemplo, em plásticos reforçados com fibra de carbono. E estamos tentando torná-los recicláveis para minimizar o impacto da poluição plástica no planeta."A adição de nanopartículas a um polímero melhora significativamente suas propriedades mecânicas. Elas se tornam comparáveis à resistência dos metais tradicionais, com uma redução considerável no peso.

Um bom exemplo é o Boeing 787 Dreamliner. Oitenta por cento do seu volume é construído com plásticos nanocompósitos. As asas e a fuselagem deste avião são de plástico e muito mais leves do que se fossem feitas de alumínio, mas tão resistentes quanto as ligas de alumínio. Isso significa que o avião é muito mais leve. Consome menos combustível, uma economia significativa. E poderá viajar mais longe e transportar mais carga e passageiros.

As turbinas eólicas são outro exemplo de polímeros nanocompósitos. Se as pás das turbinas fossem feitas de metal, seriam muito mais pesadas e menos eficientes na geração de eletricidade. As pás feitas de plástico reforçado com nanomateriais são mais leves e produzem energia com maior eficiência, além de conferirem maior resistência às pás.

“No caso dos nanocompósitos, agora sabemos bem como prever o que acontecerá com as propriedades dos materiais quando adicionarmos nanopartículas específicas a um determinado polímero”, disse Sokolov.

Então, deixe o trem de lado, aproveite as tarifas reduzidas e saiba que os materiais nanocompósitos desenvolvidos por cientistas terão um uso ainda mais amplo em diversas tecnologias e no dia a dia, além de serem recicláveis, possibilitando um futuro sustentável.

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