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: Nanorreservatórios para revestimentos inteligentes anticorrosivos.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:  Zinc-Layered Hydroxide Salt Intercalated with Molybdate Anions as a New Smart Nanocontainer for Active Corrosion Protection of Carbon Steel. Débora Abrantes Leal, Fernando Wypych, and Cláudia Eliana Bruno Marino. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 17, 19823–19833. https://doi.org/10.1021/acsami.0c02378.

Nanorreservatórios para revestimentos inteligentes anticorrosivos

Imagem MEV de um aglomerado de cristais de hidroximolibdato de zinco. Cada cristal é um nanorreservatório.
Imagem MEV de um aglomerado de cristais de hidroximolibdato de zinco. Cada cristal é um nanorreservatório.

Revestimentos tradicionais costumam ser eficientes para proteger estruturas de aço da corrosão ao oferecerem uma barreira física que impede o contato do substrato com os elementos corrosivos. Entretanto, quando o desgaste gera fissuras ou poros nesses revestimentos, os substratos ficam expostos e acabam corroendo.

Uma equipe científica da Universidade Federal do Paraná (UFPR) desenvolveu um revestimento, baseado em nanotecnologia, que oferece uma proteção ativa contra a corrosão.  Quando o revestimento apresenta alguma falha, expondo o substrato aos elementos corrosivos, dois mecanismos anticorrosivos se ativam sem intervenção humana. Para realizar essa ação inteligente, o revestimento conta com aditivos muitos especiais: nanorreservatórios capazes de armazenar um composto que inibe a corrosão (o molibdato) e liberá-lo, sob demanda, na presença dos elementos corrosivos.

Os nanorreservatórios da UFPR são estruturas de dimensões nanométricas que se apresentam na forma de folhas bidimensionais (lamelas) sobrepostas, separadas entre si por um espaço de alguns angstrons. É nesse espaço interlamelar que o molibdato é armazenado. Quando um nanorreservatório entra em contato com ambientes corrosivos, como a solução de cloreto de sódio (NaCl ) usada nos experimentos na UFPR, ocorre uma reação de troca de íons negativos: ânions  molibdato saem do espaço interlamelar e ânions  cloreto passam a ocupar esses espaços. Nessa troca, o molibdato fica livre para formar um filme protetor sobre a superfície do substrato que ficou exposto, enquanto os ânions corrosivos ficam “presos” no nanorreservatório.

Representação esquemática do mecanismo de proteção ativa contra a corrosão fornecido pelo revestimento aditivado com os nanoreservatórios lamelares inteligentes. (Fonte: Adaptado de ACS Applied Materials & Interfaces 2020 12 (17), 19823-19833, DOI: 10.1021/acsami.0c02378).
Representação esquemática do mecanismo de proteção ativa contra a corrosão fornecido pelo revestimento aditivado com os nanorreservatórios lamelares inteligentes. (Fonte: Adaptado de ACS Applied Materials & Interfaces 2020 12 (17), 19823-19833, DOI: 10.1021/acsami.0c02378).

“A principal contribuição do trabalho está relacionada à proteção ativa contra a corrosão do aço. Enquanto os revestimentos tradicionais promovem apenas uma proteção por barreira, isto é, proteção passiva, o revestimento inteligente desenvolvido no trabalho promove uma proteção ativa, liberando o inibidor de corrosão molibdato do nanorreservatório lamelar sob demanda, através de um mecanismo de troca aniônica”, resume Débora Abrantes Nunes Leal, doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais da UFPR e autora correspondente do artigo que reporta a pesquisa, recentemente publicado na ACS Applied Materials & Interfaces. “Além de liberar o inibidor de forma controlada, o nanorreservatório lamelar ainda “captura” os ânions cloreto, funcionando como uma armadilha para essas espécies e, assim, também contribui para reduzir a corrosividade do meio”, conclui a doutoranda.

Aplicação em escala industrial

Produzidos por meio de um processo rápido e simples e usando matérias-primas de baixo custo, abundantes e de menor impacto ambiental, como o zinco, os nanorreservatórios da UFPR têm potencial para serem fabricados em escala industrial. Ao serem usados como aditivos de revestimentos, como na pesquisa da UFPR, os nanorreservatórios poderiam aumentar a vida útil de estruturas de aço que se encontram em atmosferas com altas concentrações de compostos corrosivos, como, por exemplo, atmosferas marinhas ou próximas de plantas químicas.

De acordo com Débora, já existe, principalmente na Europa, um mercado, ainda incipiente, de revestimentos inteligentes para combate à corrosão, voltados às indústrias aeronáutica e petroquímica. Entretanto, esses revestimentos utilizam, como reservatórios dos compostos anticorrosivos, principalmente microcápsulas poliméricas ou hidróxidos duplos lamelares, que são materiais de fabricação mais complexa, de alto custo e de maior impacto ambiental do que os hidroxissais lamelares utilizados nos nanorreservatórios da UFPR. Conforme os autores do artigo, estes materiais nunca tinham sido usados para armazenar e liberar inibidores de corrosão antes deste trabalho, nem na indústria nem na literatura científica.

Todo o trabalho reportado no artigo da ACS Applied Materials and Interfaces foi realizado dentro do doutorado, em curso, de Débora Abrantes Nunes Leal, iniciado em 2017. A pesquisa é orientada pela professora Cláudia Marino (orientadora), que possui expertise em corrosão e proteção de materiais, e pelo professor Fernando Wypych (coorientador), cuja especialidade é a síntese e caracterização de materiais lamelares. O trabalho recebeu financiamento das agências brasileiras Capes, CNPq e Finep.

Atualmente, a pesquisa com os nanorreservatórios continua, e os autores indicam que, em breve, apresentarão novos resultados, inclusive relacionados ao uso de outros inibidores de corrosão.

Autores do artigo. A partir da esquerda: Débora Abrantes Leal, Fernando Wypych, Cláudia Eliana Bruno Marino.
Autores do artigo. A partir da esquerda: Débora Abrantes Leal, Fernando Wypych, Cláudia Eliana Bruno Marino.

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.

Artigo em destaque: Muita ciência e uma dose de acaso para chegar à receita de um nanocompósito multifuncional.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: One material, multiple functions: graphene/Ni(OH)2 thin films applied in batteries, electrochromism and sensors. Eduardo G. C. Neiva, Marcela M. Oliveira, Márcio F. Bergamini, Luiz H. Marcolino Jr & Aldo J. G. Zarbin. Scientific Reports 6, 33806 (2016). doi:10.1038/srep33806. Link para o artigo: http://www.nature.com/articles/srep33806

 

Muita ciência e uma dose de acaso para chegar à receita de um nanocompósito multifuncional

boxnioh2Artigo recentemente publicado no periódico científico Scientific Reports, do grupo Nature, reporta um estudo realizado em universidades do estado do Paraná (Brasil) sobre um material baseado no hidróxido de níquel Ni(OH)2 – composto de grande interesse tecnológico [ver box ao lado]. A equipe de autores desenvolveu um método inovador para fabricar um material formado por grafeno e nanopartículas de hidróxido de níquel, fez filmes finos com esse material e demonstrou a eficiência desses filmes quando usados como eletrodos de baterias recarregáveis, sensores de glicerol e materiais eletrocrômicos.

O trabalho foi realizado dentro da pesquisa de doutorado de Eduardo Guilherme Cividini Neiva, sob orientação do professor Aldo José Gorgatti Zarbin, no Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal do Paraná (UFPR). Neiva começou a realizar trabalhos de pesquisa sobre nanopartículas de níquel na graduação, orientado pelo professor Zarbin. No mestrado, ainda com Zarbin, o estudante desenvolveu uma rota de preparação de nanopartículas de níquel metálico para aplicações eletroquímicas. Finalizado o mestrado, Neiva e Zarbin se propuseram a dar continuidade à pesquisa no doutorado de Neiva, incluindo o grafeno na preparação das nanopartículas de níquel metálico para obter nanocompósitos de níquel e grafeno com propriedades diferenciadas. “A maior parte dos meus interesses científicos estão voltados na preparação de materiais com nanoestruturas de carbono, como nanotubos e grafeno”, contextualiza o professor Zarbin, que assina o artigo da Scientific Reports como autor correspondente.

Os primeiros trabalhos no laboratório já surpreenderam a dupla. Na presença do óxido de grafeno (usado como precursor do grafeno na preparação do material), o processo tomava um rumo diferente. Nesse momento, Neiva e Zarbin enxergaram o potencial dessas particularidades: se bem compreendidas, poderiam ser controladas e utilizadas para preparar nanocompósitos, não apenas de níquel metálico, mas também de hidróxido de níquel, o que abriria novas possibilidades de aplicação. “Há uma frase que gosto muito, do Louis Pasteur, que se aplica perfeitamente nesse caso: “o acaso favorece as mentes bem preparadas””, diz Zarbin.

Partindo dessa base, orientando e orientador criaram um processo simples e direto para fabricação de nanocompósitos de grafeno e hidróxido de níquel. Nesse processo inovador, ambos os componentes são sintetizados em conjunto, em uma única reação de apenas uma etapa. Usando essa técnica, Neiva fabricou os nanocompósitos. Amostras de hidróxido de níquel puro também foram produzidas, para poder compará-las com os nanocompósitos.

As amostras foram estudadas por meio de uma série de técnicas: difração de raios X, espectroscopia Raman, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), termogravimetria, microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (FEG-MEV), e também por meio de imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) realizadas pela professora Marcela Mohallem Oliveira, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). A comparação entre os dois materiais foi favorável ao nanocompósito. “O grafeno teve papel fundamental na estabilização das partículas em escala nanométrica, no aumento da estabilidade química e eletroquímica das nanopartículas, e no aumento da condutividade do material, fundamental para uma melhora nas aplicações desejadas”, comenta Aldo Zarbin.

Aldo José Gorgatti Zarbin (à esquerda de quem olha) e Eduardo Guilherme Cividini Neiva, autores principais do trabalho, no equipamento FEG-MEV do Grupo de Química de Materiais da UFPR.
Aldo José Gorgatti Zarbin (à esquerda de quem olha) e Eduardo Guilherme Cividini Neiva, autores principais do trabalho, no equipamento FEG-MEV do Grupo de Química de Materiais da UFPR.

A etapa seguinte consistiu no processamento dos nanocompósitos e das nanopartículas de hidróxido de níquel puro para obter filmes finos, formato que possibilita seu uso nas aplicações desejadas. “Depositar materiais na forma de filmes, recobrindo diferentes superfícies, é um desafio tecnológico imenso, que se torna maior e mais desafiador quando se trata de materiais multicomponentes e materiais insolúveis, infusíveis e intratáveis (todas características do material reportado nesse artigo)”, explica Zarbin.

Para superar esse desafio, Neiva utilizou uma rota de processamento, chamada de método interfacial líquido/líquido, desenvolvida em 2010 pelo grupo de pesquisa liderado por Zarbin, o Grupo de Química de Materiais da UFPR. Essa rota, além de ser simples e barata, afirma o professor Zarbin, permite depositar materiais complexos na forma de filmes homogêneos e transparentes sobre vários tipos de materiais, incluindo plásticos. “Essa rota se baseia na alta energia existente na interface de dois líquidos imiscíveis (água e óleo, por exemplo), onde o material é inicialmente estabilizado para minimizar essa energia, possibilitando sua posterior transferência para substratos de interesse”, detalha o cientista.

Com os nanocompósitos, Neiva obteve filmes finos transparentes de cerca de 100 a 500 nm de espessura, com nanopartículas de cerca de 5 nm de diâmetro homogeneamente distribuídas sobre as folhas de grafeno. O hidróxido de níquel puro, diferentemente, gerou filmes formados por nanopartículas esféricas porosas de 30 a 80 nm de diâmetro, distribuídas de modo heterogêneo, formando aglomerados em algumas regiões.

Na fase final do trabalho, os filmes depositados sobre vidro e ITO (óxido de índio e estanho), foram testados em três aplicações, nas quais o nanocompósito teve desempenho superior ao hidróxido de níquel puro.  Enquanto material para eletrodos de baterias alcalinas recarregáveis, o nanocompósito apresentou alta energia e alta potência – dois pontos positivos que não é fácil encontrar num mesmo material. O nanocompósito também demonstrou uma boa performance como sensor eletroquímico. De fato, experimentos idealizados pelos professores Márcio Bergamini e Luiz Marcolino Jr, também da UFPR, mostraram que o nanocompósito é um sensor sensível de glicerol (composto conhecido comercialmente como glicerina e usado em várias indústrias). Finalmente, o nanocompósito agiu como eficiente material eletrocrômico. Com essas características, os filmes do grupo da UFPR têm chances sair do laboratório e fazer parte de produtos inovadores. “Isso depende de parceiros que se interessem em escalonar o método e testar em dispositivos reais”, diz Zarbin.

Por enquanto, além de artigos científicos como o publicado na revista Scientific Reports, o trabalho gerou várias patentes, tanto sobre o método de deposição dos filmes finos quanto sobre suas aplicações em sensores de gases, eletrodos transparentes, dispositivos fotovoltaicos e catalisadores. “E já desenvolvemos uma bateria flexível, que só foi possível graças à técnica de deposição de filmes que desenvolvemos”, complementa o professor Zarbin.

O trabalho, que foi desenvolvido dentro dos projetos macro “INCT de nanomateriais de carbono” e “Núcleo de Excelência em Nanoquímica e Nanomateriais”, contou com financiamento das agências federais Capes e CNPq, e da Fundação Araucária, de apoio ao desenvolvimento científico e tecnológico do estado do Paraná.

 

Esta figura, enviada pelos autores do paper, condensa as principais contribuições do trabalho. No centro, um balão com dois líquidos e o filme na interface representa o método de processamento de filmes finos. À esquerda consta um esquema do filme, com as nanopartículas de hidróxido de níquel sobre a folha de grafeno. Logo à direita do balão, uma fotografia do filme depositado sobre um substrato de quartzo mostra a homogeneidade e transparência do filme (é possível ler um texto que está debaixo dele). Finalmente, à direita, de cima pra baixo, as três aplicações são mostradas através de uma curva de descarga (bateria), de uma curva de variação de transmitância pelo potencial aplicado (eletrocromismo) e de uma curva analítica mostrando a variação linear da intensidade da corrente em função da concentração de glicerol no meio (sensor).