Artigo em destaque: Modelo cinético para células solares orgânicas mais eficientes.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Kinetic model for photoluminescence quenching by selective excitation of D/A blends: implications for charge separation in fullerene and non-fullerene organic solar cells. L. Benatto, M. de Jesus Bassi, L. C. Wouk de Menezes, L. S. Roman and  M. Koehler. J. Mater. Chem. C, 2020,8, 8755-8769.

 Modelo cinético para células solares orgânicas mais eficientes 

Contracapa do J. Mater. Chem. C, destacando a pesquisa da equipe da UFPR.
Contracapa do J. Mater. Chem. C, destacando a pesquisa da equipe da UFPR.

Diferentemente de outras células solares que estão no mercado há mais tempo, como as de silício, as orgânicas são finas, leves, flexíveis e semitransparentes. Com essas características, elas se tornam muito atrativas para segmentos específicos. No Brasil, por exemplo, que conta com produção nacional, podem ser encontradas em prédios empresariais algumas das maiores superfícies instaladas do mundo, além de instalações em alguns shopping centers, caminhões e pontos de ônibus.

Embora as versões orgânicas das células solares também ofereçam vantagens na produção em grande escala (processos industriais mais simples e com menor pegada de carbono, como o roll to roll), a conquista de mercados amplos depende, em grande parte, de continuar a melhorar a sua eficiência na conversão de luz solar em energia elétrica. Para superar esse desafio, o desenvolvimento de materiais com propriedades adequadas e a combinação dos diferentes materiais dentro do dispositivo são essenciais.

Uma equipe científica da Universidade Federal do Paraná (UFPR) dedicou-se a estudar em detalhe, usando ferramentas experimentais e teóricas, o mecanismo de geração de cargas elétricas em células solares orgânicas – um processo complexo que ainda não é compreendido na sua totalidade. Na prática, os resultados deste trabalho auxiliam na escolha de quais materiais devem ser usados e como eles devem ser sintetizados, de modo que suas propriedades potencializem a eficiência da conversão de luz em eletricidade. A pesquisa foi reportada em artigo do Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto 7,059), onde recebeu destaque em contracapa.

Desvendando a dissociação do éxciton

No sanduíche de camadas que forma as células solares, a camada ativa (responsável por absorver a luz e gerar as cargas elétricas) é composta por materiais semicondutores, os quais, no caso dos dispositivos orgânicos, são polímeros ou outras moléculas baseadas em carbono. Ao ser excitados pela luz, estes materiais não geram cargas elétricas livres, como acontece nos semicondutores inorgânicos. Eles geram éxcitons, que são pares elétron – buraco ligados por forças de atração entre a carga negativa do primeiro e a positiva do segundo.

Para gerar as cargas livres, que formam a corrente elétrica, é preciso quebrar essa ligação, num fenômeno chamado de dissociação do éxciton. Uma das formas de consegui-lo é criar, na camada ativa, uma interface entre um material doador de elétrons e outro aceitador de elétrons. “Dependendo da combinação desses dois materiais, o processo de dissociação dos éxcitons pode ocorrer em uma escala de tempo muito baixa, resultando numa geração de carga mais eficiente”, explica Leandro Benatto, autor correspondente do paper. “No entanto, esse processo ainda não é bem compreendido”, completa.

O trabalho de Leandro e os outros autores concentrou-se, justamente, em tentar compreender a dissociação do éxciton e a geração de cargas livres na interface entre o material doador e o aceitador. A equipe realizou experimentos de fotoluminescência usualmente utilizados para dimensionar a eficiência na geração de cargas livres em sistemas desse tipo e desenvolveu um modelo matemático que simula o processo. Os resultados experimentais e os teóricos foram muito similares, comprovando a precisão do modelo. “Desenvolvemos um modelo que simula a cinética do processo, englobando diversas etapas da dissociação dos éxcitons e considerando as principais características da interface”, diz ele. “A partir do modelo cinético foi possível reproduzir muito bem os resultados experimentais e observar de forma mais clara os principais fatores que influenciam a eficiência do processo de geração de cargas livres em interfaces doador/aceitador”, completa.

Fulerenos x não fulerenos

O trabalho que gerou o artigo foi coordenado por dois professores do Departamento de Física da UFPR, Marlus Koehler e Lucimara Stolz Roman, que possuem uma parceria de longa data no estudo teórico – experimental de células solares orgânicas. “A parte teórica começou a ser desenvolvida em 2019, no final do meu doutorado em Física pela UFPR sob orientação do professor Marlus, e continuou no meu pós-doutorado no Laboratório de Dispositivos Nanoestruturados (DINE) sob coordenação da professora Lucimara” conta Leandro. Também participaram da pesquisa Maiara de Jesus Bassi, doutoranda em Física no grupo da professora Lucimara, e Luana Cristina Wouk, doutora em Física que também foi orientanda da professora Lucimara, e atualmente trabalha no centro privado de pesquisa aplicada CSEM Brasil, o que auxiliou a contextualizar o problema no cenário de desenvolvimento em larga escala.

A ideia inicial do trabalho foi entender a diferença entre dois tipos de moléculas aceitadoras de elétrons: as derivadas de fulereno (um alótropo do carbono), que têm excelente desempenho na coleta e transporte de elétrons mas possuem um limitado espectro de absorção luminosa, e compostos não derivados de fulerenos, cujas propriedades de coleta e transporte têm sido otimizadas nos últimos anos. “Esse é um tema muito interessante visto que, recentemente, a eficiência das células solares orgânicas baseadas em não fulerenos superou a das baseadas em fulerenos, apesar de que, alguns anos atrás, não se imaginava que os fulerenos seriam superados”, relata Leandro. Atualmente, células solares orgânicas de não fulerenos produzidas em laboratório alcançaram a eficiência de 18%”, completa.

Esta pesquisa recebeu financiamento das agências brasileiras Capes, CNPq e FAPEMIG, do INCT–Nanocarbono e da COPEL (Companhia Paranaense de Energia).

Os autores do artigo. A partir da esquerda: Leandro Benatto, Maiara de Jesus Bassi, Luana Cristina Wouk, Lucimara Stolz Roman e Marlus Koehler.
Os autores do artigo. A partir da esquerda: Leandro Benatto, Maiara de Jesus Bassi, Luana Cristina Wouk, Lucimara Stolz Roman e Marlus Koehler.

Artigo em destaque: Nanobastões para desenvolver novos anti-inflamatórios.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Characterization of the structural, optical, photocatalytic and in vitro and in vivo anti-inflammatory properties of Mn2+ doped Zn2GeO4 nanorods. Suzuki, V. Y.; Amorin, L. H. C; Lima, N. M; Machado, E. G; Carvalho, P. E.; Castro, S. B. R.; Souza Alves, C. C.; Carli, A. P.; Li, Maximo Siu; Longo, Elson; Felipe La Porta. J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 8216. DOI: 10.1039/c9tc01189g

Nanobastões para desenvolver novos anti-inflamatórios

nanobastoesUma equipe de pesquisadores de universidades brasileiras descobriu, em nanoestruturas de formato cilíndrico chamadas de nanobastões, um efeito anti-inflamatório equivalente ao conseguido por fármacos de uso corriqueiro. Os pesquisadores também demonstraram a eficiência desses nanobastões como catalisadores (aceleradores) na degradação de um poluente. Essas aplicações se tornam ainda mais relevantes considerando que a equipe científica conseguiu produzir grandes quantidades do material mediante um processo simples e rápido. O trabalho realizado mostra o potencial desses nanobastões para o desenvolvimento de novos medicamentos e para o tratamento de efluentes.

O trabalho originou-se cerca de três anos atrás, quando o professor Felipe de Almeida La Porta, que tinha se incorporado recentemente ao corpo docente da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), campus Londrina, estava implementando um grupo de pesquisa em Nanotecnologia e Química Computacional (NANOQC) nessa universidade. “Nosso laboratório começou a investigar algumas classes de materiais emergentes, com a perspectiva de conciliar teoria e prática, impulsionado assim novas descobertas e aplicações.”, conta La Porta. Um dos materiais estudados pelo grupo, foi o germanato de zinco (Zn2GeO4), um versátil semicondutor com aplicações em sensores, catalisadores, baterias entre outros dispositivos.

Junto ao bolsista de iniciação científica Victor Yuudi Suzuki, o professor iniciou um projeto em que sintetizou, no laboratório da UTFPR, nanobastões de Zn2GeO4 puro e com porcentagens muito pequenas de íons de manganês. Para produzir essa série de nanobastões, eles utilizaram a chamada “síntese hidrotérmica assistida por micro-ondas”. O método consiste, em grandes linhas, em misturar soluções aquosas contendo determinados compostos, aquecer a solução final com ajuda de um forno de micro-ondas e deixar que os compostos reajam por um determinado tempo a uma pressão e temperatura controlada. No caso do Zn2GeO4 dopado com íons manganês que foram preparados neste estudo, essas reações foram realizadas a 140 °C durante 10 minutos. O material que resulta dessas reações é recolhido na temperatura ambiente, posteriormente lavado e secado, gerando os nanobastões.

O professor La Porta e seu grupo de pesquisa conseguiram otimizar uma das etapas do processo, a cristalização dos materiais, de modo a diminuir o tempo de síntese de horas para alguns minutos, mantendo assim a qualidade do material e a possibilidade de controlar seu formato.

Depois de preparar as amostras, a dupla viajou de Londrina até São Carlos (SP) para caracterizar os materiais no Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Ali, junto a pesquisadores locais, puderam analisar o formato, estrutura e a luminescência dos quatro tipos de composições de nanobastões produzidos: sem manganês e com 1, 2 e 4% desse elemento incorporado à estrutura do Zn2GeO4.

Finalmente, sabendo que compostos contendo zinco, germânio ou manganês apresentam atividade biológica considerável (efeitos benéficos ou negativos sobre os seres vivos), a equipe resolveu contatar colaboradores para investigar esse tipo de propriedades nos nanobastões. Dessa maneira, uma série de experimentos foi realizada nos Departamentos de Química e Farmácia da Universidade Federal de Juiz de Fora e na Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, ambas no estado de Minas Gerais.

Os autores do trabalho. A partir da esquerda: Victor Suzuki, Luís Amorin, Felipe La Porta, Maximo Si Li, Elson Longo, Sandra de Castro, Paloma de Carvalho, Alessandra Carli, Emanuelle Machado, Caio Alvez, Nerilson Lima.
Os autores do trabalho. A partir da esquerda: Victor Suzuki, Luís Amorin, Felipe La Porta, Maximo Si Li, Elson Longo, Sandra de Castro, Paloma de Carvalho, Alessandra Carli, Emanuelle Machado, Caio Alvez, Nerilson Lima.

Para estudar a ação anti-inflamatória, a equipe realizou testes in vitro (em contato com células em recipientes laboratoriais) e também in vivo (usando ratos com edemas nas patas, dentro das normas do código brasileiro de uso de animais em laboratório). Ambos os tipos de experimentos revelaram que os nanobastões com cerca de 4% de manganês foram os mais eficazes no controle da inflamação. Nos testes in vitro, essas nanoestruturas foram capazes de modular moléculas que regulam a inflamação sem causar morte de células (sem citotoxicidade). Nos experimentos in vivo, os nanobastões reduziram edemas induzidos nas patas dos ratos com resultados similares aos da aplicação de dexametasona, um conhecido fármaco do grupo dos corticoides.

“No primeiro momento, pensamos que a combinação desses elementos para formação de um óxido ternário poderia de certo modo potencializar esses efeitos. Mais não tínhamos ideia que os resultados seriam tão significativos. Tendo em vista que os medicamentos atualmente disponíveis na terapêutica estão se mostrando cada dia menos eficazes, estes resultados podem encorajar o uso destes nanobastões, por exemplo, na produção de uma nova formulação farmacêutica, especialmente para casos de inflamação”, diz Felipe La Porta, que é o autor correspondente da pesquisa que foi recentemente publicado pela equipe de pesquisadores no Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto 6,641).

Além de comprovar o potencial do material para essa aplicação do campo da saúde, os autores do artigo verificaram experimentalmente a capacidade dos nanobastões de degradarem um corante químico bastante encontrado em efluentes industriais, chamado azul de metileno. Para esta aplicação, as nanoestruturas com 2% de manganês foram as mais eficientes, decompondo completamente o corante em 10 minutos. “Devido à simplicidade de fabricação deste sistema aliado a suas excelentes propriedades, este material também é promissor para limpeza de diversos poluentes ambientais, e pode ser facilmente recuperado no final deste processo”, comenta o professor da UTFPR.

No centro, aglomerado de nanobastões de germanato de zinco com 4% de manganês. Ao redor, em sentido horário: medidas de fotoluminescência das amostras; representação da estrutura do germanato de zinco dopado com manganês; mecanismo de degradação de poluentes e medidas da degradação do azul de metileno; ação anti-inflamatória dos nanobastões e de outros tratamentos em pata de rato com edema induzido.
No centro, aglomerado de nanobastões de germanato de zinco com 4% de manganês. Ao redor, em sentido horário: medidas de fotoluminescência das amostras; representação da estrutura do germanato de zinco dopado com manganês; mecanismo de degradação de poluentes e medidas da degradação do azul de metileno; ação anti-inflamatória dos nanobastões e de outros tratamentos em pata de rato com edema induzido.

As propriedades superiores que a equipe científica brasileira encontrou nos nanobastões com manganês podem ser relacionadas aos defeitos estruturais observados nessas amostras. De fato, a rede tridimensional de átomos que forma o germanato de zinco é cristalina, ou seja, organizada em padrões regulares. Com a introdução de manganês, irregularidades são geradas, e delas surgem novas propriedades.

O artigo científico que reporta este trabalho foi selecionado para compor a coleção Materials and Nano Research in Brazil, preparada pela Royal Society of Chemistry em comemoração do XVIII B-MRS Meeting, e, portanto, pode ser acessado sem custo até 15 de outubro deste ano, aqui.

O trabalho foi realizado com financiamento de agências brasileiras de apoio à pesquisa: as federais CNPq e Capes, e as estaduais Fundação Araucária, Fapesp e Fapemig.