Gel líquido da Northwestern University armazena energia e permite fotocatálise no escuro

Captar energia, guardá-la e só depois usá-la quase sempre exige três soluções diferentes. Um painel solar faz a captura. Uma bateria fica com o armazenamento. E outro componente trata do consumo. Funções distintas, peças distintas.

Um novo material líquido junta essas três etapas num único sistema - e faz isso com um comportamento que nenhuma bateria tem. Enquanto carrega, ele reorganiza a própria estrutura por dentro, num processo que lembra a “andaime” interno de uma célula viva.

Uma molécula, três funções

Há décadas, cientistas desenvolvem materiais capazes de absorver energia vinda da luz ou da eletricidade. O problema aparece depois dessa etapa: na maioria dos casos, a energia capturada é usada imediatamente ou precisa ser transferida para um segundo dispositivo que faça o armazenamento.

Um grupo liderado por Samuel I. Stupp, professor de ciência e engenharia de materiais na Northwestern University, buscou uma alternativa: um único material que desse conta de captar energia, armazená-la e liberá-la quando solicitado.

Para isso, a equipa criou uma molécula feita sob medida que recolhe energia, “banca” essa energia e, sob comando, devolve o que foi guardado.

O resultado funciona menos como um aparelho tradicional e mais como algo com traços de vida: carrega, muda de forma, realiza a tarefa e, em seguida, volta ao estado inicial ao ser exposto ao ar, pronto para começar de novo.

A inspiração veio de um truque das células

Stupp encontrou o modelo dentro das próprias células. Cada célula possui um citoesqueleto - uma rede de fibras proteicas que dá forma e também ajuda no movimento e na divisão celular. O esqueleto de um animal é estável. Este, não.

Ele está o tempo todo a desmontar-se e a reconstruir-se, trocando componentes conforme as necessidades da célula mudam.

Biólogos descrevem esse padrão de reconstrução contínua há anos, como detalha uma revisão sobre o tema.

O material da Northwestern segue um ritmo parecido. Quando acumula energia, as moléculas conectam-se e formam estruturas maiores; quando a energia é liberada, essas estruturas se desfazem. Construir e desconstruir não é um efeito colateral - é o mecanismo central.

Como o material armazena energia

Em escala molecular, tudo depende de uma única molécula composta por duas partes. Uma metade recebe a energia que chega. A outra parte captura e mantém os eletrões que essa energia consegue libertar.

Juntas, essas duas metades conduzem um processo de auto-organização, no qual o próprio sistema se organiza sem precisar de um molde externo.

Quando há entrada de energia, a primeira metade transfere eletrões para a segunda. A partir daí, a equipa acredita que as moléculas “carregadas” se unem aos pares e se empilham formando fitas minúsculas, que se entrelaçam até o líquido engrossar e mudar de amarelo para um gel preto.

Essas fitas não tinham equivalente anterior. Ninguém havia criado uma estrutura desse tipo: um material auto-organizado construído a partir de pares de moléculas armazenadoras de eletrões presos entre si. E o gel consegue manter a carga por meses.

Energia que continua no escuro

O gel carregado não fica apenas “guardando” energia: ele realiza química de verdade. Nos testes, o material transferiu a energia armazenada para o oxigénio, gerando moléculas reativas que impulsionaram reações sem qualquer luz.

O grupo de Stupp chama isso de fotocatálise no escuro: uma química do tipo “fotocatalítica”, mas executada com energia acumulada anteriormente.

É aí que ele se diferencia. Materiais anteriores de captação de luz também já demonstraram capacidade de conduzir química útil, incluindo reações que separam água para produzir combustível de hidrogénio. Porém, eles paravam de funcionar no instante em que a luz era desligada.

“Most light-driven materials stop working when the light source is gone,” disse Stupp.

Este novo gel mantém a atividade no escuro porque a energia já está incorporada na própria estrutura, pronta para ser gasta quando for necessário.

Um reinício acionado pelo ar

Usar a carga armazenada é apenas metade do ciclo. Para voltar ao estado inicial, o gel precisa apenas de exposição ao ar ambiente.

O oxigénio desfaz a estrutura, e o gel preto derrete, regressando a uma dispersão incolor de moléculas suspensas num líquido amarelo.

A partir desse ponto, ele pode recarregar e repetir tudo. O mesmo “interruptor” funciona independentemente de a energia vir da luz do sol, de eletricidade, de raios X ou de um combustível químico - e todas as fontes levam ao mesmo gel preto.

A luz é especialmente útil nesse contexto. Como um feixe provoca a transformação apenas na área atingida, a equipa consegue “desenhar” padrões condutores microscópicos no material, que desaparecem quando ele reinicia. É uma escrita condutora seguida por uma folha em branco.

Alimentando futuros sistemas de energia

A proposta mira um obstáculo persistente na energia limpa. O mundo já produz enormes quantidades de energia solar, mas guardar essa energia para a noite ou para períodos longos de céu nublado continua a ser difícil, como descreve um estudo recente.

“For energy storage, our material performs the same function as a battery,” disse Stupp. A diferença é que este sistema funciona inteiramente em água, evita os metais e os plásticos presentes nas células comuns e pode ser recarregado repetidas vezes.

A capacidade ainda é pequena, mas concreta. Segundo Stupp, 1 grama conseguiria armazenar energia suficiente para carregar um relógio inteligente ou outro dispositivo vestível semelhante.

Em maior escala, o mesmo conceito poderia abastecer eletrónica flexível, soluções de energia limpa ou aplicações de descontaminação ambiental.

O futuro dos materiais que se auto-constroem

Antes deste trabalho, nenhum material armazenava energia ao reconstruir fisicamente a própria estrutura. Agora, existe um exemplo que carrega e descarrega por meio de um ciclo de auto-construção inspirado em células vivas. As fitas formadas aqui são as primeiras do seu tipo.

Isso aponta um caminho para armazenar energia renovável sem depender dos metais que as baterias exigem. Sem mineração. Apenas água e um reinício ao ar livre.

A capacidade de “química no escuro” acrescenta uma segunda utilidade, permitindo que o material continue a funcionar muito depois de a luz desaparecer.

Ainda há muita engenharia entre 1 grama de gel preto e um dispositivo funcional. Mas a ideia central já está demonstrada.

Um material agora consegue guardar e devolver energia ao desmontar-se e reconstruir-se - tal como as células vivas sempre fizeram.