Cientistas criam nanoporos escorregadios que sobrecarregam a energia azul

Apesar do seu potencial, a tecnologia enfrentou obstáculos significativos. Membranas projetadas para permitir a passagem rápida de íons muitas vezes perdem a capacidade de separar cargas de maneira eficaz. Além disso, a manutenção da durabilidade estrutural revelou-se difícil. Devido a estas limitações, a maioria dos sistemas de energia osmótica permaneceu em grande parte confinada a experiências de laboratório.

Nanoporos revestidos com lipídios melhoram o fluxo de íons

Cientistas do Laboratório de Biologia em Nanoescala (LBEN), liderados por Aleksandra Radenovic da Escola de Engenharia da EPFL, em conjunto com investigadores do Centro Interdisciplinar de Microscopia Electrónica (CIME), demonstraram agora uma solução para estes problemas. Suas descobertas foram publicadas em Energia da Natureza.

A equipe melhorou o movimento dos íons revestindo os nanoporos com pequenas bolhas lipídicas conhecidas como lipossomas (lipossomas). Em condições normais, esses nanoporos permitem que os íons passem com alta precisão, mas a uma taxa muito lenta. Quando revestidos com a camada lipídica, no entanto, os nanoporos permitem que os íons selecionados se movam com muito mais facilidade. O atrito reduzido aumenta significativamente o transporte de íons e aumenta o desempenho geral do sistema.

“Nosso trabalho reúne os pontos fortes de duas abordagens principais para a coleta de energia osmótica: membranas poliméricas, 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 escalonável com canais nanofluídicos projetados com precisão, alcançamos uma conversão de energia osmótica altamente eficiente e abrimos um caminho para sistemas de energia azul baseados em nanofluidos.”

Lubrificação de hidratação dentro de nanoporos

O revestimento lubrificante utilizado no estudo é baseado em bicamadas lipídicas, estruturas comumente encontradas nas membranas das células vivas. Essas bicamadas se formam naturalmente quando duas camadas de moléculas de gordura se alinham com suas caudas repelentes de água (hidrofóbicas) voltadas para dentro e suas cabeças atrativas 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 tem apenas algumas moléculas de espessura, mas adere à superfície do nanoporo e evita que os íons interajam diretamente com ela. Como resultado, o atrito é reduzido e os íons podem passar pelos poros com mais suavidade.

Maior produção de energia da energia azul

Para testar o projeto, os pesquisadores produziram uma membrana contendo 1.000 nanoporos revestidos de lipídios dispostos em padrão hexagonal. Eles então avaliaram o dispositivo sob condições que imitam as concentrações naturais de sal encontradas onde a água do mar e a água do rio se encontram.

O sistema atingiu uma densidade de potência de cerca de 15 watts por metro quadrado. Esta produção é cerca de 2 a 3 vezes maior do que as atuais tecnologias de membrana polimérica podem produzir.

Um passo em direção a sistemas práticos de energia azul

Simulações de computador anteriores sugeriram que melhorar o fluxo iônico e a seletividade nos canais nanofluídicos poderia aumentar drasticamente a geração de energia osmótica. No entanto, experiências que demonstram ambas as melhorias ao mesmo tempo têm sido raras.

“Ao mostrar como o controle preciso sobre a geometria dos nanoporos e as propriedades da superfície pode remodelar fundamentalmente o transporte de íons, nosso estudo leva a pesquisa de energia azul 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 aprimorado que observamos, impulsionado pela lubrificação por hidratação, é universal, e o mesmo princípio pode ser estendido para além dos dispositivos de energia azul”, diz ele.

Instalações avançadas de imagem e pesquisa

O projeto também contou com análises detalhadas da estrutura e composição química dos nanoporos. Este trabalho foi realizado pelo Dr. Victor Boureau no Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) da EPFL. Apoio adicional veio das instalações de pesquisa compartilhadas da EPFL para nanofabricação, caracterização de materiais e computação de alto desempenho, incluindo CMi, MHMC e SCITAS.