Girassol artificial acompanha o Sol para produzir mais eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2021

O material gira, dobra e se contorce para sempre acompanhar a fonte de luz.
[Imagem: Yu Wang et al. - 10.1038/s41467-021-21764-6]

Girassol fotônico

Um "girassol" artificial que se curva, se dobra e gira autonomamente para otimizar a quantidade de luz que recebe pode ser um ingrediente chave nas células solares inteligentes do futuro.

O dispositivo foi fabricado com um cristal fotônico feito de um plástico de origem biológica - um biopolímero - e seus desenvolvedores afirmam que versões futuras poderão ser capazes de rastrear o Sol no céu, assim como os girassóis reais fazem.

Os cristais fotônicos são materiais nanoestruturados com um índice de refração que varia em uma escala de comprimento semelhante ao comprimento de onda da luz visível.

Essa variação periódica produz o chamado "hiato fotônico" (bandgap), que afeta como os fótons se propagam através do material, permitindo que a luz de algumas cores seja absorvida (aquecendo o material), enquanto outras frequências são refletidas. O ângulo em que as luzes atingem o cristal também afeta as frequências que são absorvidas.

Cristal fotônico

O material fotônico projetado por Yu Wang e seus colegas dos EUA e da Itália consiste em duas camadas. A camada superior é feita de um filme de fibroína de seda dopado com nanopartículas de ouro, uma mistura que absorve luz. A camada inferior é feita com o conhecido polímero à base de silício, o polidimetilsiloxano (PDMS).

A seda foi escolhida como material ativo não apenas por causa de sua flexibilidade, mas também pelo seu coeficiente negativo de expansão termal, o que significa que a fibroína da seda se contrai quando aquecida e se expande quando resfriada. Já o PDMS tem um coeficiente de expansão térmica muito elevado, o que significa que ele se expande fortemente mesmo com um calor muito pequeno.

Assim, quando o cristal fotônico de dupla camada é exposto à luz, ele se dobra conforme o PDMS se expande e a camada de seda se contrai.

A seguir, entra em jogo a complexa refletividade do material de seda, que ficou similar à opala pela adição de nanopartículas de ouro e pela criação de ranhuras superficiais, que fazem com que a interação com a luz varie conforme seu ângulo de incidência.

Outras demonstrações incluíram borboletas que batem as asas quando a luz é ligada e desligada e "caixas" que se fecham e abrem com luz.
[Imagem: Yu Wang et al. - 10.1038/s41467-021-21764-6]

Painéis solares que acompanham o Sol

Juntos, esses mecanismos permitem que o material se curve, dobre e se torça de maneiras que dependem da geometria dos seus padrões superficiais e da cor da luz incidente. Bastou então um capricho na criação das ranhuras para produzir um material que acompanhe a fonte de luz.

Os pesquisadores demonstraram o potencial do mecanismo fabricando um girassol fotônico com células solares integradas, cuja produção de eletricidade é maximizada porque o "painel solar" biomimético acompanha a fonte de luz.

Eles também fabricaram uma caixa autodobrável e uma borboleta com asas que se abrem e fecham em resposta à luz, mas afirmam que seu grande objetivo é a criação de painéis solares inteligentes que possam ser robustos o suficiente para funcionarem fora do laboratório, em condições reais de operação.

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