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

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/10/2017

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.

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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.

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