A molécula “arma-se” quando é iluminada, e “desarma-se” quando necessário, liberando calor.
[Imagem: Kieran Griffiths et al. – 10.1021/acs.chemmater.0c02708]

Há cerca de dois anos, cientistas japoneses sintetizaram um material ultraporoso, que eles chamaram de DMOF-1, pertencente a uma classe de cerâmicas porosas conhecidas como estruturas metal-orgânicas (MOF: metal-organic framework).

Agora, uma equipe da Universidade de Lancaster, no Reino Unido, confirmou a suspeita da equipe japonesa: o DMOF-1 consegue capturar diretamente energia do Sol e armazená-la para uso futuro.

A energia pode ser guardada durante meses a temperatura ambiente, e pode ser liberada quando necessária na forma de calor.

Como os desenvolvimentos necessários aumento de eficiência e fabricação em larga escala, esse material poderá ser usado para capturar a energia solar durante o dia e disponibilizá-la à noite, ou mesmo capturar o calor do Sol no verão e usá-lo para aquecer as casas no inverno.

Molécula que funciona como Mola

As estruturas metal-orgânicas (MOFs) consistem em uma rede de íons metálicos ligados por moléculas à base de carbono, formando estruturas 3-D. Uma propriedade importante dos MOFs é que eles são porosos, o que significa que podem formar materiais compostos hospedando outras pequenas moléculas em suas estruturas.

moléculas com azobenzeno

Kieran Griffiths e seus colegas encheram os poros do DMOF-1 moléculas com azobenzeno, um composto que absorve fortemente a luz. Essas moléculas funcionam como fotointerruptores interruptores acionados pela luz, já que são um tipo de “máquina molecular” que pode mudar de forma quando um estímulo externo, como luz ou calor, é aplicado.

Dentro dos poros, as moléculas de azobenzeno se alojam em um formato distendido, como uma mola esticada. Quando o material é exposto à luz ultravioleta, as moléculas mudam de forma, assumindo uma configuração tensionada. Este processo armazena a energia de maneira semelhante à energia potencial de uma mola comprimida.

Isso significa que a energia potencial pode ser armazenada por longos períodos de tempo em temperatura ambiente: Os testes conduzidos pela equipe mostraram que o material é capaz de armazenar energia por pelo menos quatro meses, antes que as moléculas comecem a voltar ao seu estado original e a energia se perca.

A energia é liberada novamente com a aplicação de calor, que funciona como um gatilho para mudar o estado do azobenzeno, e essa liberação pode ser muito rápida, como uma mola comprimida que volta ao seu estado não tensionado. Isso fornece um aumento de calor que pode ser usado, por exemplo, para aquecer água, cujo vapor pode então ser usado para gerar energia.

Armazenamento de energia, de dados e de medicamentos

O conceito de armazenamento de energia solar em foto-interruptores já foi estudado antes, mas a maioria dos materiais obtidos até agora exigia que as foto-chaves ficassem mergulhadas em um líquido. Como o composto MOF é um sólido, e não líquido, ele é quimicamente estável e facilmente contido, tornando muito mais fácil desenvolver revestimentos ou dispositivos autônomos.

O mecanismo também serve para armazenamento digital de dados ou para liberação controlada de medicamentos.
[Imagem: Kieran Griffiths et al. – 10.1021/acs.chemmater.0c02708]

“O material funciona um pouco como os materiais de mudança de fase, que são usados para fornecer calor em aquecedores de mão. No entanto, embora os aquecedores de mão precisem ser aquecidos para recarregá-los, o bom desse material é que ele captura energia ‘gratuita’ diretamente do sol. Também não possui partes móveis ou eletrônicas e, portanto, não há perdas envolvidas no armazenamento e liberação da energia solar. Esperamos que, com um maior desenvolvimento, possamos fazer outros materiais que armazenam ainda mais energia,” disse o professor John Griffin, coordenador da pesquisa.

Outras aplicações potenciais para materiais cristalinos contendo moléculas de fotocélulas incluem o armazenamento de dados: o arranjo bem definido dos foto-interruptores significa que eles podem ser chaveados um por um usando uma fonte de luz precisa e, portanto, armazenar dados, como em um CD ou DVD, mas em nível molecular. Eles também têm potencial para a liberação de medicamentos: as drogas podem ser bloqueadas dentro de um material por meio de foto-chaves e então liberadas sob demanda dentro do corpo usando uma luz ou um gatilho de calor.

Embora os resultados sejam muito promissores, a densidade de energia do DMOF-1 ainda é modesta. Os próximos passos são pesquisar outras estruturas MOF, bem como tipos alternativos de materiais cristalinos, que apresentem maior densidade no armazenamento de energia.


Artigo: Long-Term Solar Energy Storage under Ambient Conditions in a MOF-Based Solid-Solid Phase-Change Material
Autores: Kieran Griffiths, Nathan R. Halcovitch, John M. Griffin
Revista: Chemistry of Materials
DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02708

Embora essa tecnologia seja para armazenar calor, é possível que em algum momento também sirva para sistemas fotovoltaico Off-Grid.

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