Células solares vivas produzem energia, mesmo em mau tempo

Representação seqüencial da síntese de materiais bio-PV de célula inteira destacando: a) clonagem molecular de E. coli para expressão de licopeno; b) ligação superficial não covalente de nanopartículas de TiO 2 resultando em morfologia core @ shell-like; c) implantação de material fotovoltaico biogênico na fabricação de DSSC.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade da Columbia Britânica (UBC) demonstrou como as células solares feitas de organismos vivos podem gerar energia mesmo com a luz solar limitada. Conhecidas como células solares "biogênicas", essas células poderiam oferecer uma alternativa às células sintéticas usadas atualmente em painéis solares convencionais, fornecendo uma fonte de energia apesar do mau tempo. Um artigo detalhando a pesquisa foi publicado este mês na revista Small.

"Este é o primeiro estudo demonstrando materiais biogênicos geneticamente modificados para a fabricação de células solares", disse à Digital Trends Sarvesh Kumar, engenheiro químico e biológico da UBC e um dos principais autores do estudo. “Utilizamos uma bactéria inofensiva e reprojetamos sua maquinaria interna para produzir um pigmento fotoativo chamado licopeno.”

No passado, os pesquisadores desenvolveram células solares biogênicas através da extração de corantes naturais que as bactérias usam para gerar energia na fotossíntese. Isso provou ser um processo caro, no entanto.

Num golpe de sorte, os cientistas da UBC identificaram uma rota potencialmente mais barata enquanto manipulavam geneticamente E. coli, de modo que produzissem muito licopeno, o corante que dá aos tomates sua cor, o que se demonstrou ser uma efetiva colheitadeira leve. Notando que o licopeno estava degradando (liberando elétrons), eles se perguntaram se a taxa dessa degradação era suficiente para gerar uma corrente utilizável. Eles revestiram as bactérias produtoras de licopeno com um semicondutor mineral, aplicaram-nas em uma superfície de vidro onde puderam coletar luz solar e examinaram o que aconteceu.

Padrões de DRX de difração de A) células @ TiO 2 ; b) corante licopeno revestido sobre TiO 2 ; c) TiO 2 NPs.

A corrente que geraram atingiu uma densidade de 0,686 miliamperes por centímetro quadrado, o que foi 0,324 miliamperes maior que os estudos anteriores. É difícil dizer que economias de custo podem resultar se essa tecnologia for desenvolvida em escala, mas os pesquisadores estimam que a produção de corantes, usando seu processo, custa cerca de um décimo dos métodos atuais.

Outro aspecto promissor da tecnologia é que as células funcionaram tão bem com pouca luz quanto na luz brilhante, o que significa que o método pode ser útil em lugares no extremo norte ou sul, onde os céus são frequentemente encobertos.

“Não vemos nossa tecnologia como concorrente de células solares convencionais. Pelo contrário, eles são um complemento”, disse Vikramaditya Yadav, engenheiro químico e biológico da UBC e outro dos principais autores do estudo. “Ainda assim, as células que desenvolvemos são um dispositivo de 'geração um' que precisa de melhorias significativas e otimização antes que possa atingir os níveis de células solares de silício. 

No entanto, mesmo em sua infância, a tecnologia já lançou algumas aplicações promissoras. A exploração de ambientes com pouca luz, como as minas, requer o uso de sensores que poderiam ser alimentados com células biogênicas, como a que desenvolvemos.

Nanotecnologia algumas tecnologias, matérias e características.

Algum materiais e características da nanotecnologia também serão descritos aqui.

Características

» Componentes nanométricos são aqueles que possuem pelo menos uma abaixo de 100nm. Como exemplo podemos citar: 

• 1 dimensão: Filmes finos;
• 2 dimensões: Nanotubos;
• 3 dimensões: Pontos Quânticos.

» Dois fatores causam significantes diferenças nos nanomaterias se comparados com as demais estruturas: 

• Aumento da área de superfície;

- Quanto menor o material o material maior a proporção de átomos na superfíce, o que pode criar materias muito mais reativos que aqueles comuns. Vejamos a comparação entre o tamanho do material e a quantidade de átomos na superfície:

# 30nm - 5%;
# 10nm - 20%;
# 3nm - 50%.

• Efeitos quânticos.

Este dois fatores são responsáveis pelas alterações no comportamento óptico, elétrico e magnético dos materiais.

Materiais

» Filmes Finos: 

• São materias com uma dimensão nanométrica. São desenvolvidas e usadas há décadas em aplicações de eltrônica, de química e de engenharia.

» Nanotubos de Carbono: 

• São estruturas de carbono formada por uma ou mais folhas de carbono. Foram primeiramente observados por Sumio Lijima da NEC em Tsukuba, Japão.

Nanotubos têm assumido uma importante posição no contesto dos semicondutores por causa de suas características químicas e físicas. Eles são muito fortes mecanicamente, além de serem flexíveis. Eles também podem conduzir eletricidade muito bem. Todas essas características possibilitam uma grande variedade de aplicações para esses novos materiais.

» Nanotubos Inorgânicos: 

• Foram descobertos logo após os nanotubos de carbono e são possuem ótima característica lubrificante, resistência à choques e grande capacidade de armazenamento de hidrogênio e lítio. Possuem uma grande possibilidades de aplicações.

» NanoFios 

• São fios ultrafinos ou um array linear de pontos. Eles podem ser criados por uma grande variedade de materiais. Nanofios semicondutores têm mostrado grandes característica ópticas, elétricas e magnéticas. Esses elementos possuem potenciais aplicações em grande armazenamento de data, também como leitor magnético e como dispositivo óptico e eletrônico.

Nanofio, enrolado em um fio de cabelo, transmitindo luz. 

(Credit: Limin Tong/Harvard University)

» Biopolímeros: 

• A grande variedade de biopolímeros, tais como as moléculas de DNA, oferecem uma grande variedade de nanoestruturas auto-organizáveis. Eles também oferecem a oportunidade de ligação entre a nano e biotecnologia em, por exemplo, criar sensores biocompatíveis e simples e pequenos motores.

» Fulerenos (Carbono 60): 

• Essa nova classe de carbono foi descoberta na década de 80 e chamado de Carbono 60 (C60). São moléculas esféricas de aproximadamente 1nm de diâmetro, contendo 60 carbonos arranjados em 20 hexágonos e 12 pentágonos. Podem ser utilizados para várias aplicações, tais como, a lubrificação de superfícies, veículo de drug-delivery e em circuitos eletrônicos.

» Dendrímeros: 

• São moléculas poliméricas esféricas, formadas por processo de auto-organização hierárquica. Eles são usados em aplicações convencionáis de recobrimento e pintura. Futuramente podem ser usados em drug-delivery e até mesmo no auxílio de purificação de água através do aprisionamento de íons metálicos.

» Pontos Quânticos 

• São nanopartículas em semicondutores que foram criados no início dos anos 80. São muito utilizados em aplicações de opto-eletrônica, tais como, lasers, LEDs e células solares. Essas partículas possibilitam um confinamento de cargas elétricas, fincionando como uma átomo artificial.

Aplicações

» Protetores Solares e Cosméticos: 

• Nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de zinco são usados em alguns protetores solares. Eles refletem os raios ultravioletas (UV) e são transparentes à luz visível, sendo mais atrativos aos consumidores.

» Tecidos Impermeáveis: 

• Uma empresa americana chamada Nano-Tex LLC desenvolve calças com um tecido especial que repele água. O tecido é produzido com milhões de microscópicas substâncias que aderem às fibras de cotton e efetivamente repelem rapidamente o líquido sem deixar nenhum vestígio.

As partículas são criadas manipulando alguns átomos de carbono até chegar a forma desejada, que tem aproximadamente 10nm de de comprimento. Agregado à celulose da fibra, o material de torna hidrofóbico. Como as partículas são muito pequenas, elas não alteram a aparência do material.

» Nanopartículas de Argila 

• Nanopartículas de argila ocorrem naturalmente e tem sido muito importante em materiais de construção. Partículas de argila modificadas, contendo plásticos e nanoflocos de argila estão sendo aplicados na construção de armotecedores de carros mais resistentes.

» Janelas Auto-limpantes 

• Um material que recobre o vidro foi desenvolvido pela empresa activglass e tem a função de auto-limpar a janela. O material que recobre o vidro é ativado pelos raios ultra-violeta e quebram as moléculas orgânicas e diminuem a aderência da sujeira inorgânica. Com isso a sujeira é carregada pela chuva.

• 

» Tintas: 

• O uso de nanopartículas em tintas pode trazer enormes benefícios, entre eles: tintas mais brilhantes, masi leves, com menos solventes, ecologicamente mais seguras e, até mesmo, ante arranhões.

» Displays: 

• O grande mercado da área de displays tem se beneficiado enormemente com a nanotecnologia. Painéis mais brilhantes, com tela plana tem sido desenvolvidos com nanomateriais. Recentemente os nanotubos de carbono tem sido investigados para o uso em telas devido à uma grande variedades de vantagens: telas com menor voltagem de emissão de campo, condutividade, brilho e outras característivas.

Outro material utilizado recentemente na construção de displays são os OLEDs, LED desenvolvidos com materias orgânicos (veja em física).

» Baterias: 

• Com o grande aumento no número de equipamentos portáteis (telefones celulares, GPS, computadores, sensores remotos) há um aumento na necessidade do desenvolvimento de baterias mais leves e com mais capacidade de energia. Materiais nanocristalinos sintetizados por técnicas sol-gel são os candidatos mais promissores, podendo armazenar bem mais energia do que as baterias convensionais.

» Chips de computador 

• A capacidade computacional atual foi obtida, principalmente, com ajuda dos processos de minitaturização dos transistores. Como comparação, o chip Intel 4004, de 1971, possuia 2300 transistores usando uma tecnologia de 10000nm; já o Intel Xeon, de 2003, possui 108 milhões de transistores funcionando com uma frequência muito maior e possuindo tecnologia de 130nm. Os grandes desafios para o futuro, como em todos os materiais nanométricos, são os problemas originados com a miniaturização se aproximando cada vez mais aos limites atômicos. 

A grande expectativa é que os processadores de 2007 e 2013 utilizem tecnologias de 65nm e 32nm respectivamente. Em laboratórios já é possível atingir escalas ainda menores com a utilização de nanotubos de carbono no desenvolvimento de transistores. Recentemente, em novembro de 2004, um grupo de pesquisadores alemães anunciaram a criação do menor transistor obtido até hoje. Esse transistor possui 18nm de tamanho de canal. Veja a figura abaixo:

Além da miniaturização dos dispositivos atuais, uma outra tendência ganha força no desenvolvimento da computação e da eletrônica, a Eletrônica Molecular que, diferentemente da eletrônica convencional, utiliza moléculas ao invés de semicondutores. Outros paradigmas para o desenvolvimento da computação vem surgindo junto com o desenvolvimento da nanotecnologia, entre eles podmos destacar o Quantum-Dots Cellular Automata (QCA), veja mais em em Engenharia Elétrica.

» Armazenamento de Informação: 

• Memórias de computador é um dos elementos mais importantes na intustria da tecnologia de informação. O uso de nanotecnologia pode ajudar muito no desenvolvimento de memórias menores e com mais capacidade. Recentemente pesquisadores alemães anunciaram a criação de uma nova célula de memória de 20nm, aproximadamente 5000 vezes mais fino que um fio de cabelo. A espectativa dos pesquisadore é que essa nova célula possa ser usada na criação de memórias não-voláteis com capacidade de até 32Gb.

» Optoeletrônica: 

• A industria da Optoeletrônica tem uma importância muito grande nas tecnologias de informação e telecomunicações e o auxílio de componentes nanométricos, tais como, pontos quânticos e poços quânticos aumentam significativamente a eficiciência dos novos produtos.

» Tratamento de Superfícies de Energias Renováveis:

Com o uso do NanoPV e NanoWind se trata as superfícies evitando a corrosão, aumentando a vida útil dos equipamentos, consigo elevando  a eficiência d geração de energia e amenizando os gastos com manutenção.                             

Nanotecnologia aprimora aproveitamento de energia solar

Cientistas produzem células solares fotovoltaicas com eficiência recorde

Por David Biello

É assim que se faz uma poderosa célula solar a partir de índio e fósforo: primeiro, faça um arranjo com flocos de ouro microscópicos em uma base de semicondutor. Usando o ouro como semente, produza fios precisamente organizados com aproximadamente 1,5 micrômetro de altura a partir de compostos quimicamente modificados de índio e fósforo. Mantenha os nanofios em linha limpando-os com ácido hidroclorídrico e confinando seu diâmetro a 180 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de metro).

Exposta ao sol, uma célula solar que empregue esses nanofios pode transformar quase 14% da luz que recebe em eletricidade – um novo recorde amplia possibilidades para uma energia solar barata e eficaz.

De acordo com a pesquisa publicada online na Science – e validada no Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar, na Alemanha – essa nova configuração de nanofios produziu tanta eletricidade quanto células solares em filmes finos mais tradicionais de fosfeto de índio, mesmo que os nanofios em si só cobrissem 12% da superfície do dispositivo.

O resultado sugere que essas células solares de nanofios poderiam ser mais baratas – e mais poderosas – se o processo puder ser industrializado, argumenta o físico Magnus Brogström da Universidade Lund, na Suécia, coordenador do projeto. 

A nova tecnologia precisa do novo semicondutor – uma combinação de índio e fósforo que absorve grande parte da luz do sol (uma propriedade chamada de gap de energia). “Atualmente nós absorvemos 71% da luz acima do gap de energia e com certeza podemos aumentar esse valor”, declara Borgström.

O segredo está no controle ainda mais preciso dos próprios nanofios conforme são produzidos, e também as modificações químicas dos compostos constituintes.

As novas células poderiam também ser transformadas nas chamadas células solares de multijunção – dispositivos compostos que incorporam vários tipos diferentes de material semicondutor em camadas, como um sanduíche, para absorver a maior quantidade de energia solar possível.

As células de multijunção assim construídas converteram mais de 43% da energia da luz solar em eletricidade – atualmente, os dispositivos fotovoltaicos mais eficientes do mundo.

Essas células multijunção também são o tipo mais caro de equipamento fotovoltaico, mas podem se tornar mais baratas ao serem combinadas com lentes de baixo custo para concentrar a luz do sol em versões menores das células.

Borgström, por exemplo, acredita que as células solares de nanofios podem ser uma boa alternativa quando o processo de produção for simplificado, e conseguir produzir produzir nanofios aplicando técnicas simples de aquecimento e evaporação no futuro. Ele explica: “Se pudermos construir estruturas de grande área, a concentração de raios solares não será mais necessária”.

Novo material pode revolucionar geração de energia solar

Grupo internacional, com participação de pesquisadores da Unicamp, obtém novo material a partir de minério de ferro com aplicação como fotocatalisador

Após o isolamento do grafeno, em 2004, iniciou-se uma corrida para se conseguir sintetizar novos materiais bidimensionais – como são chamados materiais com espessura de um átomo até alguns poucos nanômetros (da bilionésima parte do metro). Tais materiais possuem propriedades únicas ligadas à sua dimensionalidade e podem ser protagonistas do desenvolvimento da nanotecnologia e da nanoengenharia.

Um grupo internacional, com a participação de pesquisadores vinculados à Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), conseguiu dar origem a um novo material com essas características.

Os cientistas conseguiram extrair de um minério de ferro comum, como os explorados por muitas mineradoras no Brasil, um material chamado hemateno, que tem três átomos de espessura e propriedades fotocatalíticas incomuns.

O novo material foi descrito em um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology. A pesquisa foi feita no Centro de Engenharia e Ciências Computacionais (CECC) – um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) apoiados pela FAPESP – e em um estágio de pesquisa no exterior, realizado também com Bolsa da FAPESP.

“O material que sintetizamos pode atuar como fotocatalisador – para dividir a água em hidrogênio e oxigênio – e permitir a geração de energia elétrica a partir de hidrogênio, por exemplo, além de ter diversas outras aplicações”, disse Douglas Soares Galvão, pesquisador do CECC e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP.

O novo material foi extraído da hematita – mineral que é a principal fonte de ferro e o mais comum, barato e importante dos metais, usado em vários produtos, principalmente ao ser transformado em aço.

Ao contrário do carbono e de sua forma bidimensional (grafeno), a hematita é um material não van der Waals, como se chamam aqueles mantidos unidos por redes de ligações tridimensionais, em vez de interações atômicas não covalentes – em que não há compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre os átomos participantes na ligação – e, comparativamente, mais fracas do que as dos materiais van der Waals.

Por ser um mineral que ocorre naturalmente, ser um material não van der Waals e ter cristais grandes e altamente orientados, os pesquisadores levantaram a hipótese de que a hematita poderia atuar como um excelente precursor para obtenção de um novo material bidimensional não van der Waals.

“A maioria dos materiais bidimensionais sintetizados até hoje foi derivada de amostras de sólidos de van der Waals. Materiais bidimensionais não van der Waals, com camadas atômicas altamente ordenadas e grãos grandes, ainda são raros”, disse Galvão.

A fim de obter a partir da hematita um material com tais características – o hemateno –, os pesquisadores utilizaram a técnica de esfoliação líquida em um solvente orgânico, a N-dimetilformamida (DMF). Por meio de microscopia eletrônica de transmissão, eles conseguiram confirmar a esfoliação e a formação do hemateno em folhas soltas de três átomos de ferro e de oxigênio (monocamada) e em folhas soltas empilhadas aleatoriamente (bicamada).

Com ensaios e cálculos matemáticos foram estudadas as propriedades magnéticas do hemateno. Por meio desses cálculos e testes, os pesquisadores descobriram que as propriedades magnéticas do hemateno diferem daquelas da hematita.

Enquanto a hematita é tipicamente antiferromagnética – seus dipolos magnéticos estão dispostos antiparalelamente –, os testes mostraram que o hemateno é ferromagnético, como um ímã comum.

“Nos ferromagnetos, os momentos magnéticos dos átomos apontam na mesma direção. Nos antiferromagnetos, os momentos nos átomos adjacentes se alternam”, explicou Galvão.

Fotocatalisador eficiente

Os pesquisadores também avaliaram as propriedades fotocatalíticas – de aumentar a velocidade de uma fotorreação pela ação de um catalisador – do hemateno. Os resultados das análises também demonstraram que a fotocatálise do hemateno é mais eficiente do que a da hematita, que já era conhecida por ter propriedades fotocatalíticas, mas não suficientemente boas para serem úteis.

Para um material ser um eficiente fotocatalisador, ele deve absorver a parte visível da luz solar, por exemplo, gerar cargas elétricas e transportá-las à superfície do material de modo a realizar a reação desejada.

A hematita, por exemplo, absorve a luz do sol da região ultravioleta à amarelo-alaranjada, mas as cargas produzidas são de vida muito curta. Como resultado, elas se extinguem antes de chegar à superfície.

Já a fotocatálise do hemateno é mais eficiente, uma vez que os fótons geram cargas negativas e positivas dentro de poucos átomos da superfície, compararam os pesquisadores. E, ao emparelhar o novo material com matrizes de nanotubos de dióxido de titânio – que fornecem um caminho fácil para os elétrons deixarem o hemateno –, eles descobriram que poderiam permitir que mais luz visível fosse absorvida.

“O hemateno pode ser um eficiente fotocatalisador, especialmente para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, mas também pode servir como um material magnético ultrafino para dispositivos baseados em spintrônica [ou magnetoeletrônica]”, disse Galvão.

O grupo tem investigado outros materiais não van der Waals por seu potencial para dar origem a outros materiais bidimensionais com propriedades exóticas. “Há uma série de outros óxidos de ferro e seus derivados que são candidatos a dar origem a novos materiais bidimensionais”, disse Galvão.

O artigo Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite (doi: 10.1038/s41565-018-0134-y), de Pulickel M. Ajayan e outros, pode ser lido na revista Nature Nanotechnology.

Fonte: Jornal do Brasil

NANOTECNOLOGIA A SERVIÇO DA SUSTENTABILIDADE NA CONSTRUÇÃO

A revolucionária ciência da nanotecnologia, que permite a manipulação da matéria numa escala atômica e molecular, tem proporcionado avanços importantes no desenvolvimento de soluções nas mais diversas áreas. Um nanômetro é equivalente a um bilionésimo de metro. Devido ao seu pequeno tamanho, os nanomateriais geralmente possuem novas propriedades ópticas, magnéticas, mecânicas, químicas e biológicas. A concepção de materiais a partir do manuseio na escala nano ampliou as possibilidades científicas, permitindo a construção de estruturas mais complexas e a criação de inovações incríveis com novas funcionalidades e propriedades especiais.

Esse avanço já chegou à indústria da construção com o desenvolvimento de novos químicos para melhora do concreto: aditivos que atuam na estrutura molecular do cimento, garantindo benefícios efetivos de produtividade, performance e de sustentabilidade, por reduzir consumo de água, emissões de gases e até mesmo o emprego de recursos financeiros.

Podemos citar como exemplo, um aditivo avançado que trabalha como acelerador para o endurecimento do concreto na fase inicial da sua cura, que usa uma nova nanotecnologia de cristais de CSH (Silicato de cálcio hidratado). A solução única, Master X-Seed, baseada em tecnologia inovadora, pode duplicar o desempenho da resistência inicial e garante aumento da produtividade, sem afetar as características de performance do concreto. Promove também uma significativa redução nos custos globais de produção.

São importantes os ganhos em sustentabilidade: há redução do consumo de água; diminuição nas emissões de CO2 ao evitar o uso de combustível nas operações de cura a vapor; melhora a eficiência energética com a redução no consumo de eletricidade nas instalações de pré-moldados, além de permitir a substituição dos cimentos com alta composição de clínquer por cimentos misturados com reduzidas emissões de CO2 durante a fase de produção. Esses ganhos são possíveis porque o aditivo diminui o tempo de desmoldagem, evita a cura a vapor em pré-moldados e garante uma melhora significativa da durabilidade, normalmente prejudicada pela cura a vapor. Como um plus, o aditivo é inibidor de corrosão para concreto armado.

Também já existem no mercado grautes cimentícios de ultra resistência MasterFlow, especialmente desenvolvidos a partir de nanotecnologia aplicada, que conferem desempenho técnico superior. Ideal para a ancoragem das torres para produção de energia eólica, esses grautes proporcionam uma maior resistência a cargas dinâmicas e repetitivas (movimentos). A elevada resistência à compressão, ao impacto e à fadiga, a elasticidade e a retração compensada garantem que a ancoragem das torres com essa tecnologia ocorra de maneira segura, rápida e econômica. Essas características asseguram um aumento significativo na vida útil do parque, reduzindo custos de manutenção.

Além de soluções para concreto, já foi desenvolvido também um novo material de isolamento de alto desempenho que pode ser aplicado no setor de construção em edifícios novos ou antigos. O aerogelrespirável produzido como um painel de poliuretano sólido tem características únicas: até 90% do volume do aerogel orgânico consiste em poros cheios de ar que têm um diâmetro de apenas 50 a 100 nanômetros. O novo material ocupa metade do espaço se comparado aos materiais tradicionais, oferecendo o mesmo desempenho de isolamento, e garantindo versatilidade de design e menor consumo de energia.

Dimensões pequenas com um enorme potencial, a nanotecnologia é uma grande impulsionadora de inovação, especialmente no desenvolvimento de soluções sustentáveis para enfrentar os desafios do futuro. Prevê-se que a população global chegue a nove bilhões até 2050 e todos precisarão de um espaço de vida adequado, de abastecimento de energia seguro, entre tantos outros recursos. A nanotecnologia trará contribuições indispensáveis para esse futuro, ao mesmo tempo em que protege o meio ambiente.

*Eduardo Machado Coelho, gerente do laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento de Químicos para Construção da BASF

Por Ligia Cerdeira

Hematene se junta a desfile de novos materiais 2D com capacidade de gerar energia por fonte solar

Na esteira de sua recente descoberta de uma forma plana de gálio , uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade Rice criou outro material bidimensional que, segundo os pesquisadores, poderia ser um divisor de águas para a geração de energia solar.

O Hematene criado por uma equipe liderada pela Rice University é o primeiro material bidimensional não-van der Waals conhecido. A imagem do elétron de transmissão mostra uma única folha de hematene. A barra de escala é igual a 0,5 mícron. Cortesia de Shyam Sinha e Peter van Aken / Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha.

O cientista de materiais de arroz Pulickel Ajayan e seus colegas extraíram hematenos de 3 átomos de espessura de minério de ferro comum. A pesquisa foi introduzida em um artigo hoje na Nature Nanotechnology .

Hematene pode ser um eficiente fotocatalisador, especialmente para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, e também pode servir como um material magnético ultrafino para dispositivos baseados em spintrônicos, disseram os pesquisadores.

"O magnetismo 2D está se tornando um campo muito interessante com os recentes avanços na síntese desses materiais, mas as técnicas de síntese são complexas e a estabilidade dos materiais é limitada", disse Ajayan. "Aqui, temos um método simples e escalável, e a estrutura hematene deve ser ambientalmente estável".

O laboratório de Ajayan trabalhou com pesquisadores da Universidade de Houston e na Índia, Brasil, Alemanha e outros lugares para esfoliar o material de hematita natural usando uma combinação de sonicação, centrifugação e filtração assistida por vácuo.

Um esquema mostra o arranjo atômico de átomos de ferro (azul) e oxigênio (branco) em hematene, um material bidimensional que foi esfoliado de hematita pela primeira vez por cientistas da Rice University e seus parceiros internacionais. Cortesia de Cristiano Woellner e Douglas Galvão / Universidade Estadual de Campinas, Brasil.

A hematita já era conhecida por ter propriedades fotocatalíticas, mas não é boa o suficiente para ser útil, disseram os pesquisadores.

"Para que um material seja um eficiente fotocatalisador, ele deve absorver a parte visível da luz do sol, gerar cargas elétricase transportá-las até a superfície do material para realizar a reação desejada", disse Oomman Varghese, co-autor e professor associado. de física na Universidade de Houston.

“A hematita absorve a luz solar do ultravioleta à região amarelo-laranja, mas as cargas produzidas são muito curtas. Como resultado, eles se extinguem antes de chegar à superfície ”, disse ele.

A fotocatálise de Hematene é mais eficiente porque os fótons geram cargas negativas e positivas dentro de poucos átomos da superfície, disseram os pesquisadores. Ao emparelhar o novo material com matrizes de nanotubos de dióxido de titânio , que fornecem um caminho fácil para os elétrons deixarem o hematene, os cientistas descobriram que poderiam permitir que mais luz visível fosse absorvida.

Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas do hematene diferem das da hematita. Enquanto a hematita nativa é antiferromagnética, testes mostraram que hematene é ferromagnético , como um ímã comum. Nos ferromagnetos, os momentos magnéticos dos átomos apontam na mesma direção. Nos antiferromagnetos, os momentos nos átomos adjacentes se alternam.

Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostra hematene de camada dupla e monocamada, esfoliada de hematita, um minério de ferro comum, por cientistas da Universidade Rice e seus parceiros internacionais. O material mostra-se promissor como catalisador de aplicações avançadas de geração de energia solar e spintrônica. A barra de escala é igual a 50 nanômetros. Cortesia do Grupo de Pesquisa Ajayan.

Ao contrário do carbono e de sua forma 2D (o grafeno), a hematita é um material não - van der Waals, ou seja, é mantido unido por redes de ligação 3D, em vez de interações atômicas não químicas e comparativamente mais fracas de van der Waals.

"A maioria dos materiais 2D até o momento foi derivada de amostras em massa que são colocadas em camadas na natureza e geralmente conhecidas como sólidos de van der Waals", disse o co-autor Anantharaman Malie Madame Ramaswamy Iyer, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Cochin, na Índia. “Materiais 2D de precursores em massa com redes de ligação 3D (não-van der Waals) são raros e, neste contexto, hematene assume grande significado.”

Segundo o co-autor Chandra Sekhar Tiwary, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e agora professor assistente do Instituto Indiano de Tecnologia, Gandhinagar, os colaboradores estão explorando outros materiais não-van der Waals por seu potencial 2D.

Iyer e Rice, que visitaram o estudante Aravind Puthirath Balan, da Universidade de Cochin, são os principais autores do estudo. Os co-autores são Sruthi Radhakrishnan, Amey Apte, Carlos de los Reyes, Vidya Kochat, Robert Vajtai, Angel Martí e Gelu Costin de Arroz; Cristiano Woellner e Douglas Galvão, da Universidade Estadual de Campinas, Brasil; Shyam Sinha e Peter van Aken, do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha; Liangzi Deng, Banki Manmadha Rao, Maggie Paulose e Ram Neupane da Universidade de Houston, Ching-Wu Chu da Universidade de Houston e Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, Califórnia; e Avetik Harutyunyan, do Instituto de Pesquisa Honda USA Inc., Columbus, Ohio.

Ajayan é presidente do Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia da Rice, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson, professora de engenharia e professora de química.

A pesquisa foi apoiada pelo Ministério de Desenvolvimento de Recursos Humanos da Índia, o Instituto de Pesquisa Multidisciplinar do Instituto de Pesquisa, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a Fundação de Pesquisa de São Paulo, a Fundação Temple TLL, o Fundo John J. e Rebecca Moores. do Texas, da Shell International Exploration and Production Inc. e do Observatório Neutrino.

Fonte: CURRENT NEWS

Por MIKE WILLIAMS - Sobre o Mike Williams Mike Williams é especialista sênior em relações com a mídia no Escritório de Relações Públicas da Rice University

Quais outras pesquisas estão mais avançadas em relação às nanoestruturas?

O desenvolvimento de telhas que buscam a substituição do amianto pelos materiais nanotecnológicos tem feito parte de muitas pesquisas. Tudo voltado para o fim do risco de doenças pulmonares. Um material resistente e com menor quantidade de amianto já foi alcançado.

Nos Estados Unidos, um grupo de investigadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) desenvolveu uma técnica que permite a obtenção de nano estruturas treliçadas com geometria fractal. Essa descoberta permitirá que esse material seja incorporado na fabricação de materiais estruturais para serem utilizados em obras de engenharia.

Apesar de constituídas em 85% a 99% por ar e de serem muito leves, estas nano treliças podem ser fabricadas para serem mais fortes que o aço. Isso graças ao total controle que a técnica desenvolvida oferece sobre a posição de cada nano elemento.

Já o Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Portugal vem desenvolvendo uma pesquisa com nanopartículas que penetram nas paredes dos edifícios e promovem uma profunda limpeza. O objetivo desse estudo visa garantir o futuro de prédios históricos.

Essas nanopartículas incorporadas nas paredes eliminariam fungos, bactérias e outros agentes agressivos. A descontaminação biológica decompõe microrganismos que estimulam as patologias em estruturas.

As nanopartículas, acionadas pela luz solar, têm o poder de reagir e matar as células de organismos vivos nocivos às estruturas e que estão infiltradas nas paredes.

E caso você ainda tenha dúvidas sobre nanotecnologia na construção civil e suas aplicações, ou queira nos ajudar com outros conhecimentos, compartilhe com a gente seus comentários. E continue seguindo nossas publicações para ficar ainda mais por dentro dos assuntos relacionados a construção civil.

Para que serve a Nanosílica?

O uso da nanotecnologia na construção civil carrega consigo ainda a utilização da nanosílica na produção dos concretos. A eficiência da nanosílica diz respeito ao aumento da resistência e da durabilidade, densificando, assim, a microestrutura do concreto.

A diminuição dos poros e de cristais de hidróxido de cálcio, além de conferir maior resistência, diminui os poros e os distribui mais, fazendo com que se diminua a permeabilidade.

Isso ocorre já que sua adição envolve partículas menores e, por consequência, maior superfície específica, reagindo mais rápido e podendo ser utilizada em menor quantidade. Sua obtenção acontece a partir de um processo químico, tendo sua composição química semelhante a do quartzo.

Para facilitar sua utilização e melhorar sua dispersão no concreto, a nanosílica pode ser fornecida em forma líquida, dispersa em aditivos superplastificantes à base de policarboxilatos de última geração.

O uso de nanosílica, quando comparado à sílica ativa, tem um desempenho mecânico, físico e químico melhor. O que confirma a teoria que relaciona a reação pozolânica com a superfície de contato.

Alguns estudos mostram que o concreto dosado com aditivo sem nanosílica, pode apresentar maior tempo disponível para manuseio, bem como maiores valores de abatimento durante todo o ensaio. No entanto, o concreto com aditivo de nanosílica apresenta melhor desempenho no estado endurecido, atingindo maior valor de resistência mecânica.

Sua utilização vem sendo aplicada em alguns países em concretos autoadensáveis para a construção de viadutos, plataformas de extração de petróleo e em túneis. Seu uso em prédios residenciais e estruturas convencionais ainda é restrita.

Qual a relação entre a nanotecnologia e a nova revolução do concreto?

O surgimento do concreto protendido em 1928 revolucionou o mundo, pois o material permitiu criar obras para a posteridade. A partir daí, o concreto se transformou no segundo material mais consumido no planeta, depois apenas da água.

Atualmente, estamos vivendo uma nova revolução no concreto com a chegada da nanotecnologia. Afinal, os nanotubos de carbono podem desempenhar papel parecido com o dos cabos de aço, atuando como elemento de protensão do concreto em escala nanoscópica.

A produção de nanotubo de carbono é realizada na UFMG, sendo coordenada pelo professor Luiz Orlando Ladeira. O trabalho conduzido no Laboratório de Nanomateriais atende a demandas de grupos de pesquisa em nanociências de todo o país desde o ano de 2000.

Apresentando estrutura cilíndrica formada por átomos de carbono, o diâmetro dos nanotubos não ultrapassa a bilionésima fração do metro (um nanômetro). Essa característica está associada a uma série de propriedades apresentadas pela molécula, como resistência mecânica e condutividade elétrica e térmica consideradas excepcionais.

Por esse motivo, seu uso em pesquisa e na confecção de dispositivos industriais tem crescido desde a última década.

Quais as aplicações (e suas consequências) da nanotecnologia na construção civil?

A nanotecnologia possibilita a fabricação de produtos com características diferenciadas ao manipular a estrutura molecular, alterando a geometria ou “arquitetura” da composição das moléculas dos materiais.

A partir desta modificação geométrica, os elementos adquirem características físico-químicas diferentes das tradicionais, digamos. Ou seja, diferentes daquelas conhecidas no tamanho em que aparecem na natureza.

Sendo assim, vamos conhecer agora algumas aplicações da nanotecnologia na construção civil e o que a ela impõe quanto as suas consequências.

Aplicação em concreto

Algumas pesquisas já realizadas comprovaram o bom desempenho das nanopartículas quando adicionadas a argamassas de cimento e a concretos. Devido ao seu tamanho minúsculo, tais partículas contribuem para o preenchimento de vazios. E, por consequência, para a melhoria de diversas propriedades desses materiais.

O desenvolvimento da nanociência em concretos é necessário. Isso porque as propriedades como baixa retração, resistência a temperaturas acima de 600ºC, compatibilidade com tipos diversos de fibras e capacidade de reação com nanomateriais, como a nanosílica e sem características tóxicas, podem ser usadas para a criação de novos produtos com bom desempenho.

Com relação as propriedades mecânicas em argamassas de cimento com nanomateriais, pode-se afirmar que a resistência à compressão dessas argamassas aumenta significativamente com a incorporação de nanopartículas.

O uso de nano-SiO2 é um exemplo disso, apresentando valores superiores ao da argamassa com cimento comum. Além de melhorar a distribuição de tamanho dos poros, preenchendo-os entre as grandes cinzas volantes e partículas de cimento em escala nano.

Esse aumento de resistência pode ser explicado por três motivos:

• As nanopartículas agem como um núcleo de ligação forte ao cimento hidratado quando uma pequena quantidade de nanopartículas é uniformemente dispersa na pasta de cimento. Além disso, as nanopartículas contribuem para a hidratação do cimento devido a sua alta atividade, favorecendo a resistência mecânica;
• As nanopartículas presentes entre os produtos hidratados irão impedir o crescimento de cristais, tais como o Ca(OH)2 (hidróxido de cálcio), o que favorece a resistência mecânica;
• As nanopartículas preencherão os poros da pasta de cimento, tornando-a mais densa. A partir daí, aumenta-se a resistência de modo similar ao efeito da sílica ativa.

A nanotecnologia está entre as mais recentes inovações no desenvolvimento de aditivos para concreto.

Aplicação em Aço

Já sabemos que o uso do aço proporcionou uma revolução nos padrões arquitetônicos. Não só pelo tamanho das estruturas que agora são possíveis, mas principalmente pelo melhor aproveitamento do espaço.

A capacidade de ser bastante flexível quanto a sua utilização também faz do aço um produto em destaque no cenário mundial. Além de propriedades como força, resistência a corrosão e capacidade de solda.

Mas o importante nesse tópico é entendermos que o sistema de tratamento do aço tem sido utilizado com o objetivo de aumentar a resistência à corrosão e melhorar a adesão da tinta sobre o substrato.

Esse aço de alta performance possui baixo consumo de carbono, oferecendo resistência a corrosão e capacidade superior de solda, incorporando as nanopartículas de cobre nos contornos das partículas de aço.

Aplicação em revestimento

A aplicação da nanotecnologia em revestimento é uma das principais quando o assunto é construção. Podemos citar um exemplo super interessante relacionado ao dióxido de titânio (TiO2), que é utilizado para vidraças de revestimento devido a sua esterilização e propriedades anti-incrustantes.

O TiO2 em nanopartículas tem sua utilização na purificação do ar, da água e em superfícies autolimpantes. Assim, o produto vai quebrar e desintegrar sujeira orgânica através de uma poderosa reação catalítica. Por ser hidrófilo, ele fará com que a água se espalhe uniformemente sobre a superfície e lave a sujeira quebrada.

Outros revestimentos especiais como anti-grafite, controle térmico, economia de energia e anti-reflexo também foram desenvolvidos.

Aplicação em vidro

O vidro anti-fogo é uma aplicação da nanotecnologia relacionada ao revestimento. Isto é conseguido usando uma camada intumescente clara intercalada entre os painéis de vidro formada por nanopartículas de dióxido de silício (SiO2), que se transforma em um escudo de fogo rígido e opaco quando aquecido.

Os revestimentos eletrocrômicos em desenvolvimento reagem às mudanças na tensão aplicada usando uma camada de óxido de tungstênio, tornando-se mais opaco com o toque de um botão. Devido às propriedades hidrofóbicas do TiO2, pode ser aplicado em janelas autolimpantes.

Nanosensores

O dióxido de titânio nanoestruturado mantém a cor branca brilhante da Jubilee Church, em Roma

A utilização dos nanosensores na construção civil tem ocorrido devido a necessidade de se monitorar ou controlar a condição ambiente e o desempenho de materiais e estruturas. Tais sensores possuem o papel de incorporação durante o processo de construção, tendo como vantagem a sua dimensão (10 -9m to 10-5m).

Um dispositivo multi-funcional baseado em piezo-cerâmico de baixo custo tem sido aplicado para controlar as propriedades do concreto de pouca idade. Dentre essas propriedades podemos citar a umidade, temperatura, umidade relativa e o desenvolvimento precoce da resistência.

Outras funções desse agregado inteligente são:

• Monitorar a corrosão e rompimento do concreto;
• Monitorar a saúde da estrutura;
• Fornecer uma indicação precoce da saúde da estrutura antes que uma falha possa ocorrer;
• Monitorar as tensões internas, rachaduras e outras forças físicas nas estruturas ao longo de suas vidas.

Outras aplicações

Alguns materiais voltados para o mercado da construção civil já estão sendo comercializados mundialmente com a aplicação da nanotecnologia. São eles:

• Capeamento de vidros e aplicações antierosão a metais;
• Filtros de proteção solar;
• Material para proteção contra raios ultravioleta;
• Nano-cola capaz de unir qualquer material a outro;
• Produtos para limpar materiais tóxicos;
• Produtos de limpeza, remoção e proteção de superfícies;
• Sistemas de filtração do ar e de água.

Nanotecnologia na construção civil: quais as principais aplicações (e consequências)?

A nanotecnologia na construção civil é algo que realmente soa um pouco diferente para aqueles que não fazem parte desse ramo profissional. Afinal, a nanotecnologia em si já é algo não comum ao nosso conhecimento.

Sendo assim, precisamos entender que nanotecnologia é a capacidade de criar objetos de qualidade superior aos existentes hoje, a partir da organização dos átomos e moléculas da forma desejada. Essa qualidade diz respeito a maior resistência, segurança e um baixo custo de produção.

Já as nanopartículas são sistemas nos quais a matéria se encontra com no mínimo uma dimensão em escala nanométrica. Ou seja, entre 1 e 100nm, apresentando quantidades de átomos e moléculas suficientemente elevadas.

Hoje, a nanotecnologia engloba muitas áreas de pesquisa, dos diversos setores da indústria e das áreas estratégicas. E seu mercado ainda irá mudar bastante nos próximos anos. Ela é aplicada em mais de 800 produtos atualmente. Contudo, vamos nos ater apenas ao que nos interessa, que é sua aplicação na construção civil.

Para os especialistas, estamos vivendo a segunda revolução do concreto, justamente a partir da descoberta da nanotecnologia e das experiências bem sucedidas de acrescentar nanotubos de carbono ao cimento.

Nanotubos de carbono são cilindros ou tubos ocos formados por alótropos do carbono com proporções nanométricas. Um nanômetro é igual à bilionésima parte de um metro. Esses materiais podem ser feitos por um só desses cilindros, sendo classificados como nanotubos de parede única. Mas existem também os nanotubos de paredes múltiplas, que são formados por vários cilindros.

Os nanotubos de carbono possuem as seguintes características:

• Estruturas cilíndricas formadas por uma ou mais camadas de carbono;
• Cinco vezes mais forte que o aço;
• Leves e flexíveis;
• Capacidade de armazenamento de hidrogênio;
• Condutores elétricos ou semicondutores.

Seu resultado é justamente a oferta de um concreto com altíssima resistência. Para se ter uma ideia, revestimentos, argamassas e concretos são materiais que já são desenvolvidos em nível molecular, na escala nanométrica.

Os materiais nanoestruturados apresentam grandes promessas e oportunidades para uma nova geração de materiais com propriedades controladas e otimizadas, para diferentes aplicações.

Na construção civil, os nanotubos de carbonos podem ser utilizados de modo bem sucedidos como é o caso do cimento. Frente ao custo de reparação de pontes e de outras obras, atrai, agora, consideravelmente a atenção dos cientistas.