Biomimética: uma nova geração de baterias, sensores e fotocatálise

Um olhar atento sobre a Natureza pode surpreender até mesmo os cientistas e engenheiros envolvidos em grandes projetos de inovação. Isso porque dela parte a inspiração para uma infinita gama de invenções que, na verdade, nada mais são do que reformatações de materiais, processos e sistemas amplamente testados e aprovados pelos ciclos naturais, por bilhões de anos.

Espiráculos
Espiráculos: pequenos poros na estrutura dos insetos que permitem trocas gasosas

Exemplo disso foi o recente desenvolvimento de um material sintético — idealizado pelo professor-doutor Bao-Lian Su e sua equipe internacional de cientistas — que emula a porosidade dos tecidos presentes nas folhas das plantas e nos espiráculos dos insetos (estruturas responsáveis pelas trocas gasosas).

De acordo com a linha de pesquisa, essa inovação poderia fomentar o desenvolvimento de materiais e sistemas 20 vezes mais eficientes no que se refere a aplicações que envolvem baterias recarregáveis, fotocatálise e sensores para gases.

Como surgiu a ideia?

O ponto de partida para o desenvolvimento do material sintético de Bao e sua equipe foi a Lei de Murray. É ela que descreve o modo como a Natureza distribui fluidos (líquidos e gases) do modo mais eficiente possível. Não importa se estamos falando das raízes e caules das plantas, dos pulmões dos mamíferos ou mesmo dos espiráculos dos insetos, a lei sempre é válida quando se pretende transportar fluidos com a menor resistência possível e, portanto, garantindo o menor “custo” aos sistemas.

No entanto, o grande desafio para seguir as diretrizes de Murray sempre residiu na dificuldade em construir um sistema poroso sintético que se aproximasse da extrema (e perfeita) complexidade das formatações biológicas encontradas na Natureza. E foi justamente isso que o time de Bao conseguiu superar.

A equipe desenvolveu um esquema multinível de estruturas, com base em nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) que, em conjunto, compuseram blocos tridimensionais e organizados compostos por nano, meso e macroporos. A formatação da rede seguiu um ordenamento com base no diâmetro desses poros, algo fundamental para garantir a fluidez dos materiais transportados com a menor resistência possível, tal como acontece nas plantas e em outras estruturas vivas.

Segundo Bao, esse novo padrão de rede pode ser aplicado à uma série de funcionalidades que utiliza estruturas porosas, sobretudo em materiais cerâmicos e nanometais.

Baterias de Lítio: vida útil estendida com Biomimética

A extensão da vida útil de baterias recarregáveis de Lítio está entre as conquistas mais importantes que esse novo material pode trazer à indústria, com amplo espectro de utilização.

O apelidado ZOMM (ZnO Murray Materials) — e sua estrutura multinível — apresentou um ciclo de vida útil na ordem dos 5.000, com uma capacidade de reversibilidade até 40 vezes maior que os materiais de ZnO macroporoso e 25 vezes maior que os de grafite mais modernos disponíveis no mercado. Esses números representam uma verdadeira revolução, até mesmo para aquilo que hoje se considera como mais avançado em termos de tecnologia e eficiência.

Além disso, quando se usou o ZOMM como ânodo, alcançou-se uma formatação de bateria com capacidade ultraelevada e ciclos de longa duração muito mais estáveis do que os padrões atualmente utilizados. Isso, claro, é um grande passo para resolver os inúmeros desafios acerca do crescimento exponencial no uso de energia em todo o mundo e especialmente para diminuir a pegada ambiental, através de processos cíclicos mais duradouros e sustentáveis.

Fotocatálise 17 vezes mais eficiente

A fotocatálise é um processo amplamente utilizado na indústria que utiliza a luz para acelerar reações químicas baseadas na ação de nano-semicondutores dispersos. Ela tem sido fundamental para a degradação orgânica de poluentes prejudiciais ao meio ambiente.

Bao e sua equipe perceberam que a estrutura 3D bioinsipirada na Lei de Murray poderia ter uma importante aplicação na fotocatálise. Isso porque a capacidade fotocatalítica do ZOMM é ao menos 17 vezes maior que a dos nanomateriais de ZnO dispersos, comumente usados nesse tipo de processo.

Além disso, o filme composto pela tecnologia ZOMM pode ser utilizado por diversos ciclos de catálise, sem alterar sua estrutura e funcionalidade. Isso torna o processo menos custoso e mais sustentável.

Sensoriamento de gases 20 vezes mais sensível

Sensores de gás são amplamente utilizados em diversos tipos de indústria, especialmente para fortalecer os padrões de segurança dos processos produtivos.

A estrutura vascularizada e porosa do ZOMM provou ser altamente eficiente para aumentar a superfície de absorção do oxigênio (tal como no sistema respiratório dos seres vivos) e ainda capaz de acelerar a difusão de outras moléculas gasosas.

Quando foram realizados testes específicos com o vapor de etanol, o ZOMM alcançou um padrão de sensibilidade na ordem dos 457, uma valor nunca reportado por nenhum experimento até então. Esse número é, no mínimo, 20 vezes maior que os sensores mais modernos já disponíveis no mercado.

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As pesquisas com os materiais inspirados na Lei de Murray indicam uma série de outras funcionalidades para indústrias dos mais diversos segmentos. A formatação porosa, tridimensional e ordenada provou garantir um elevado grau de reatividade e uma baixa resistência no transporte molecular, características importantes para aumentar exponencialmente a eficiência de diversos processos e sistemas atualmente em uso.

Novamente, os mecanismos evolutivos biológicos provaram ser fonte de inspiração para novas tecnologias cuja aplicação tem levado a resultados verdadeiramente impactantes. Cabe às empresas e centros de pesquisa de todo o mundo continuarem investindo nesse olhar refinado sobre a Natureza a fim de que possamos extrair toda a sabedoria necessária para revolucionar as próximas gerações de forma sustentável.