Somos sol

Painel solar do século passado é reinventado

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/12/2017

A grande vantagem do painel solar tipo janela dupla é que virtualmente todos os elétrons são aproveitados. [Imagem: Bell et Ramachers - 10.1016/j.joule.2017.11.007]

Painel solar com gás

Pesquisadores estão reinventando uma forma de coletar energia solar que havia sido aventada no início do século passado, mas que ninguém havia conseguido fazer funcionar a contento.

Trata-se essencialmente de uma janela de vidro dupla cheia de gás. O painel externo é transparente e conduz eletricidade. A janela interna é revestida com um material especial, que atua como fonte de elétrons quando atingido pela luz solar - um "fotocatodo".

Os dois painéis são separados por um gás inerte, como o argônio - exatamente como se encontra em janelas duplas visando isolamento acústico e térmico.

Quando a luz solar atinge o painel, os elétrons são arrancados do fotocatodo e saltam através do gás para o painel externo, sem serem absorvidos ou perdidos. Como o painel externo é condutor, eles são dirigidos para eletrodos e daí para fora da estrutura.

Isso é totalmente diferente de como os elétrons se comportam nos painéis solares fotovoltaicos atuais - sobretudo quanto à sua possibilidade de perda. A grande vantagem é um forte ganho de eficiência, em um momento em que melhorias na fotovoltaica tradicional, baseada nas células solares de silício, estão cada vez mais difíceis de se alcançar.

Fotocatodo

"É gratificante descobrir uma reviravolta de uma ideia que remonta ao início do século 20 e, como físico de materiais, é fascinante procurar materiais que podem funcionar em um ambiente tão diferente dos fotocatodos padrão," disse o professor Gavin Bell, da Universidade de Warwick, no Reino Unido.

A equipe até agora selecionou uma lista de materiais candidatos a funcionar como fotocatodo nesse painel solar reinventado, incluindo filmes finos de diamante, que seriam muito robustos e duráveis. Mas o trabalho continua em busca do material ótimo e que, simultaneamente, passe pelo crivo da viabilidade econômica. Eles estão entusiasmados.

"Nosso dispositivo é radicalmente diferente do padrão fotovoltaico e pode até mesmo ser adaptado para outras tecnologias verdes, como converter o calor diretamente em eletricidade, por isso esperamos que este trabalho inspire novos avanços," disse Bell.

Bibliografia:

Photoelectric Solar Power Revisited
Gavin R. Bell, Yorck A. Ramachers
Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.007

Dominando a matéria

Metal líquido fabrica camadas metálicas de espessura atômica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/10/2017

 As camadas monoatômicas podem ser deixadas por onde a gota de metal líquido escorre ou pode ser coletada diretamente no material. [Imagem: RMIT University]

Materiais bidimensionais em escala industrial

No que está sendo saudado como "uma descoberta que se faz uma vez em cada década", pesquisadores australianos descobriram como usar metal líquido para criar materiais bidimensionais, com espessura atômica ou molecular.

Lembre-se que o grafeno rendeu o Prêmio Nobel depois de ser extraído do grafite usando uma fita adesiva, e até hoje é difícil fabricá-lo em escala industrial. A molibdenita e a perovskita estão um pouco à frente em termos de aplicações tecnológicas, mas estão no mesmo barco quando o assunto é a fabricação industrial.

Daí a importância do trabalho de Ali Zavabeti e seus colegas da Universidade RMIT, que desenvolveram uma técnica que sintetiza películas atomicamente finas de óxidos metálicos em temperatura ambiente - as ligas metálicas conhecidas como metais líquidos, ao contrário de metais fundidos, são líquidas por volta dos 30ºC.

Isso abre o caminho da indústria para as inúmeras tecnologias de armazenamento de dados e computação que vêm sendo demonstradas ao longo dos últimos anos com esses materiais monoatômicos, além de ter o potencial de revolucionar a forma como fazemos química, reformulando os métodos de fabricação de produtos químicos que vão dos medicamentos aos fertilizantes e plásticos.

"Nós prevemos que essa tecnologia se aplique a aproximadamente um terço da Tabela Periódica. Muitos desses óxidos atômicos são materiais semicondutores ou dielétricos. Os componentes semicondutores e dielétricos são a base dos aparelhos eletrônicos e ópticos atuais. Espera-se que, trabalhando com componentes atomicamente finos, cheguemos a uma eletrônica melhor e mais eficiente em termos energéticos. Essa capacidade tecnológica nunca esteve acessível antes," afirmou o professor Torben Daeneke, coordenador da equipe.

 Esquema do processo, que funciona a temperatura ambiente. [Imagem: Ali Zavabeti et al. - 10.1126/science.aao4249]

Metal líquido

A coisa é tão simples quanto parece - com os materiais em mãos, dá para fazer em casa, embora seja necessário um microscópio eletrônico para ver o resultado e tirar proveito dele.

A técnica consiste em dissolver em metal líquido os materiais que se deseja depositar na forma de camadas monoatômicas - isso inclui virtualmente todos os óxidos metálicos, que ainda não existem como estruturas em camadas bidimensionais.

A seguir, assim como um lápis passando sobre um papel deixa camadas de grafeno, o metal líquido é posto para escorrer de forma controlada sobre uma superfície, deixando atrás de si as camadas atômicas de óxidos metálicos. Também se pode trabalhar com gotas do material, coletando as camadas atômicas com uma superfície plana, como o substrato de um chip, por exemplo.

"Nós usamos ligas não-tóxicas de gálio, um metal parecido com o alumínio, como um meio de reação para cobrir a superfície do metal líquido com camadas atomicamente finas de óxido do metal adicionado, em vez do óxido de gálio natural.

"Essa camada de óxido pode então ser esfoliada simplesmente tocando o metal líquido com uma superfície lisa. Maiores quantidades dessas camadas atômicas finas podem ser produzidas injetando ar no metal líquido, em um processo que é semelhante a fazer o leite espumar na preparação de um cappuccino," detalhou Daeneke.

Bibliografia:

A liquid metal reaction environment for the room-temperature synthesis of atomically thin metal oxides
Ali Zavabeti, Jian Zhen Ou, Benjamin J. Carey, Nitu Syed, Rebecca Orrell-Trigg, Edwin L. H. Mayes, Chenglong Xu, Omid Kavehei, Anthony P. O Mullane, Richard B. Kaner, Kourosh Kalantar-zadeh, Torben Daeneke
Science
Vol.: 358, Issue 6361, pp. 332-335
DOI: 10.1126/science.aao4249

Estamos no começo...

Metamateriais mecânicos revelam novo fenômeno da física

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/10/2017

Os estranhos efeitos gerados por esses materiais artificiais estão de alguma forma ligados ao seu tamanho. [Imagem: AMOLF/Coulais]

Morfológicos e programáveis

Os metamateriais mecânicos, que exibem propriedades incomuns, como a capacidade de mudar de forma e a programabilidade, podem apresentar outros recursos surpreendentes.

Quando esses metamateriais mecânicos crescem acima de um limiar típico, eles passam a se comportar obedecendo a um conjunto novo de regras, regras diferentes daquelas que regem seu comportamento em escala menor.

"Em materiais comuns, como um elástico, entendemos o que acontece quando você adiciona mais material," explica Corentin Coulais, do Instituto AMOLF, na Holanda. "Se você faz uma fita de borracha duas vezes maior, então ela será duas vezes mais fácil de esticar. Isso é mecânica básica. Mas os metamateriais mecânicos são diferentes. O exato oposto pode acontecer. Por exemplo, descobrimos que um metamaterial longo pode realmente ser mais rígido do que um curto."

• Material "impossível" estica quando comprimido

Propriedades dependentes da dimensão

Coulais começou com uma fita de metamaterial mecânico unidimensional, construído a partir de elementos rígidos que podem girar ligeiramente um em relação ao outro. Quando ele fabricou a mesma estrutura com o dobro do tamanho, porém, o material inesperadamente ficou mais rígido. Ele então repetiu esse teste de escala com metamateriais mais complexos, de duas e três dimensões, e o efeito se repetiu.

Com os dados, a equipe constatou que há uma escala de comprimento característica que marca a transição de regras que regem os metamateriais segundo suas dimensões. "Vimos que, acima desta escala, a funcionalidade especial dos metamateriais desaparece, por assim dizer. Os efeitos especiais da estrutura geométrica se espalham," disse Coulais.

O pesquisador enfatiza que é apenas o design do metamaterial que é responsável pela escala de comprimento característica, definindo essa passagem de "pequeno" para "grande". As propriedades intrínsecas dos blocos fundamentais, incluindo sua composição química, não são relevantes. "Este é realmente um novo fenômeno da física que agora conseguimos reproduzir também em simulações de computador," contou ele.

Coulais acrescenta que não vê isso como uma limitação para as promissoras possibilidades dos metamateriais mecânicos, ainda que os projetistas desses materiais morfológicos precisem levar em conta a escala de comprimento característico: "Pelo contrário, a nova física que descrevemos agora introduz uma nova gama de possibilidades."

• Materiais mecânicos programáveis feitos com origami

Bibliografia:

A characteristic length scale causes anomalous size effects and boundary programmability in mechanical metamaterials
Corentin Coulais, Chris Kettenis, Martin van Hecke
Nature Physics
DOI: 10.1038/nphys4269