Nanotecnologia

Quebrando a Lei de Coulomb: Opostos se repelem e iguais se atraem

Quebrando a Lei de Coulomb: Opostos podem se repelir
A Lei de Coulomb é desobedecida no interior de materiais como os utilizados nos eletrodos das baterias de íons de lítio e outras. [Imagem: Ryusuke Futamura et al. - 10.1038/nmat4974]

Lei de Coulomb quebrada em nanoescala

No que representa um grande passo para a criação de uma nova geração mais eficiente de baterias, além de novas técnicas para o tratamento de água, uma das regras mais fundamentais da natureza acaba de ser posta em xeque - ao menos em escala atômica.

Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu uma maneira de evitar o princípio bem conhecido de que partículas com a mesma carga se repelem e partículas com cargas opostas se atraem - a chamada Lei de Coulomb (Charles Augustin de Coulomb - 1783).

Os átomos ou moléculas carregadas (íons) normalmente assumem o que se conhece como ordenamento coulômbico, colocando-se em uma sequência sucessiva de cargas positivas e negativas ao longo de uma linha reta.

No entanto, Ryusuke Futamura e seus colegas descobriram como essa ordenação coulômbica normal começa a bagunçar quando os íons são confinados em poros minúsculos, com menos de um nanômetro de diâmetro, no interior de nanoestruturas de carbono, com as usadas nos eletrodos das baterias.

Isso é crucial para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia elétrica, como baterias e supercapacitores, e pode ser fundamental para o tratamento de água e em tecnologias alternativas de produção de energia - todas essas aplicações envolvem íons densamente agrupados no interior de materiais nanoporosos.

"Usando modelos moleculares em 3D, conseguimos determinar, a partir dos dados experimentais de espalhamento de raios X, como os íons carregados positivamente e negativamente se empacotam uns em relação aos outros dentro dos nanoporos. Sem essa habilidade de modelagem molecular 3D, não teríamos sido capazes de descobrir o empacotamento não-coulômbico," disse o professor Mark Biggs, da Universidade Loughborough, membro da equipe.

Cargas opostas se repelem, cargas iguais se atraem

A descoberta foi possível graças ao trabalho com dois nanomateriais de carbono, um com poros com diâmetro pouco acima de um nanômetro de diâmetro e outro com poros inferiores a um nanômetro.

Esses materiais adsorvem um líquido iônico - um sal líquido à temperatura ambiente, frequentemente utilizado como solvente na indústria química - da mesma forma que uma esponja absorve água.

Normalmente, os íons em líquidos iônicos se organizam em plena conformidade com o padrão alternado positivo-negativo do ordenamento coulômbico, o que de fato se observou para os íons adsorvidos no nanocarbono com poros maiores.

No entanto, para o outro carbono, onde os poros são tão pequenos que apenas uma camada de íons pode se formar entre as paredes dos poros, observou-se em larga proporção pares de íons negativos e pares de íons positivos.

"Neste estado, a ordem coulômbica do líquido está quebrada," escreveram os autores em seu artigo.

"Nossos resultados sugerem a existência de um mecanismo em escala molecular que reduz a energia de repulsão coulômbica entre co-íons que se aproximam um do outro," escreveu a equipe. Este mecanismo, teorizam eles, estaria ligado à carga temporariamente induzida nas paredes dos poros de carbono: "Íons da mesma carga avizinham-se um ao outro devido a uma blindagem de suas interações eletrostáticas pelas imagens das cargas induzidas nas paredes dos poros de carbono."

O ordenamento não-coulômbico fica ainda mais pronunciado quando uma carga elétrica é aplicada ao material de carbono, algo que acontece no carregamento e descarregamento de dispositivos de armazenamento de energia elétrica, incluindo as baterias e os supercapacitores.

Bibliografia:

Partial breaking of the Coulombic ordering of ionic liquids confined in carbon nanopores
Ryusuke Futamura, Taku Iiyama, Yuma Takasaki, Yury Gogotsi, Mark J. Biggs, Mathieu Salanne, Julie Ségalini, Patrice Simon, Katsumi Kaneko
Nature Materials
DOI: 10.1038/nmat4974




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