Rodovia para íons viabiliza carga rápida de baterias e tecnologias neuromórficas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2024

Velocidades iônicas recordes foram alcançadas em condutores orgânicos, onde moléculas podem atrair ou repelir íons para nanocanais que funcionam como superestradas iônicas.
[Imagem: Second Bay Studios]

Superestrada iônica

Cientistas descobriram como fazer íons viajarem muito mais rapidamente através dos materiais - mais de 10 vezes mais rápido.

Se você se lembrar que as baterias mais usadas hoje funcionam com base no movimento de íons de lítio, pode ter uma ideia do impacto que esta descoberta pode ter.

Na verdade, o impacto vai muito além de baterias que podem ser recarregadas muito rapidamente, impactando áreas desde a robótica, as tecnologias que combinam mecanismos biológicos e elétricos e o biossensoriamento, até a computação neuromórfica e a emergente ionotrônica.

A velocidade inédita dos íons foi alcançada em materiais condutores híbridos, que conduzem tanto elétrons (condutores eletroeletrônicos) quanto íons (condutores iônicos). Esses condutores mistos combinam as vantagens da sinalização iônica, usada pelos sistemas biológicos, incluindo o corpo humano, com a sinalização eletrônica usada por computadores, motores etc.

O movimento dos íons foi acelerado nesses condutores usando moléculas que atraem e concentram esses átomos eletricamente carregados em um nanocanal separado, criando uma espécie de "superestrada iônica" dentro do material.

"Ser capaz de controlar esses sinais que a vida usa o tempo todo de uma forma que nunca fomos capazes de fazer é muito poderoso," disse o professor Brian Collins, da Universidade Estadual de Washington, nos EUA. "Essa aceleração também pode ter benefícios para o armazenamento de energia, o que pode ser um grande impacto."

A rodovia para os íons é criada na parte superior do material, tendo uma espessura de cerca de 6 nanômetros.
[Imagem: Tamanna Khan et al. - 10.1002/adma.202406281]

Via rápida para íons

Os pesquisadores estavam tentando elucidar um pouco mais o funcionamento dos materiais que são bons em conduzir tanto elétrons quanto íons, que ainda não são bem compreendidos mas podem ter um impacto enorme nas tecnologias que fazem uma interface entre o biológico e o eletrônico, incluindo próteses e implantes médicos.

Foi quando a pesquisadora Tamanna Khan observou que os íons se moviam dentro do condutor relativamente devagar e, justamente por causa de seu movimento coordenado, o movimento lento dos íons também desacelerava a corrente elétrica porque os elétrons precisavam contornar o fluxo de íons.

Veio então a ideia de criar um canal direto apenas para os íons. Para atrair os íons para esse nanocanal, a equipe se voltou para a biologia: Todas as células vivas, incluindo as do corpo humano, usam canais iônicos para mover compostos para dentro e para fora. Os pesquisadores então imitaram esse mecanismo usando moléculas que amam ou odeiam água.

Primeiro, o canal é revestido com moléculas hidrofílicas (que têm afinidade pela água), que atraem os íons dissolvidos na água, também conhecidos como eletrólitos. Os íons então se movem muito rapidamente pelo canal, a velocidades mais de dez vezes mais rápidas do que se movessem somente pela água - esse movimento dos íons representa um novo recorde mundial para a velocidade de íons em qualquer material.

Por outro lado, quando o canal é revestido com moléculas hidrofóbicas (repelentes de água), os íons ficam espaçados e fluem pelo grosso do material, onde precisam enfrentar os elétrons, seguindo então na velocidade muito mais baixa.

"O próximo passo é realmente aprender todos os mecanismos fundamentais de como controlar esse movimento iônico e trazer esse novo fenômeno para a tecnologia de diversas maneiras," concluiu Collins.

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