Os nanocristais podem ser a próxima grande fonte de combustível?

Durante toda a semana, você sonhou com um dia na praia. Enquanto você se contorce em roupas de banho com proteção UV, passa protetor solar e pega sua câmera e seus óculos de sol, a nanotecnologia é a última coisa em sua mente. No entanto, é uma parte do que você está vestindo, segurando e, em grande medida, usando em sua vida diária.

A nanotecnologia , que é o estudo e a manipulação de matéria tão pequena que nem pode ser detectada com um microscópio de alta potência, confere proteção UV à sua roupa de banho e protetor solar, revestimento antirreflexo para a lente da câmera e resistência a arranhões à sua oculos escuros. Os nanocristais, um tipo de nanopartícula, são usados ​​em produtos que vão desde maquiagem e sacolas plásticas de armazenamento até meias resistentes a odores e testes de gravidez caseiros. E algum dia, os nanocristais podem alimentar seu carro, itens em sua casa ou o prédio de escritórios na rua.

A nanotecnologia é um campo científico emergente que é rico em possibilidades, mas essa matéria ultramicroscópica não foi criada nos recessos escuros do laboratório de um cientista louco. As nanopartículas ocorrem naturalmente. Eles são encontrados em sprays marinhos, cinzas vulcânicas e fumaça [fonte: Science Daily ]. Às vezes, os nanocristais são parte de subprodutos como escapamento de veículos ou gases emitidos durante a soldagem [fonte: Nano ].

Os nanocristais variam de 1 a 100 nanômetros de tamanho e são medidos em nanoescala. Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, que é 1 milhão de vezes menor que uma formiga. Então, como poderia um nanocristal conseguir se tornar uma poderosa fonte de combustível? Afinal, uma folha de papel média mede 100.000 nanômetros de espessura, tornando-a enorme em comparação [fonte: Nano ].

A chave está na forma como os nanocristais se comportam. Partículas da maioria dos tamanhos, não importa do que sejam feitas, seguem um conjunto comum de regras científicas. É como se eles tivessem sido treinados coletivamente para manter os cotovelos longe da proverbial mesa de jantar; há expectativas - confirmadas pela observação - sobre como essas partículas interagem. Mas não nanocristais.

Os nanocristais são pequenas coisas voluntariosas e rebeldes. E é exatamente por isso que eles podem ser a próxima grande fonte de combustível [fonte: Boysen ].

Como acontece com a maioria das pequenas coisas que não se comportam como esperamos, os nanocristais apresentam desafios únicos. Pegue o ouro , por exemplo. Reconhecemos este metal em particular por sua cor dourada característica. Se você estivesse garimpando ouro, reconheceria até mesmo uma pequena mancha de ouro por sua cor. Reduza essa mancha para um nanômetro, porém, e você não será capaz de reconhecê-la (mesmo que possa ver um nanocristal). Ele ficará azul-esverdeado ou vermelho porque os nanocristais, por serem tão pequenos, são quase inteiramente de área de superfície. Essa maior proporção de área de superfície permite que os nanocristais de metal absorvam cores em vez de refleti-las [fonte: Boysen ].

Embora esse pequeno fato possa impressionar seus amigos em festas, esse conhecimento - que os nanocristais seguem regras diferentes de outras matérias - também pode afetar as fontes de combustível do mundo. Não apenas os nanocristais podem assumir qualidades diferentes das partículas maiores do mesmo material, mas também reagem de maneira diferente com outros elementos. Quanto menor a partícula, mais átomos ela tem na superfície; quanto mais átomos na superfície, maior a área de superfície e maior a capacidade de interagir com outros elementos.

Pense assim: você está nadando em um cilindro de água que é profundo, mas não largo. Você pode tocar as bordas do cilindro simplesmente esticando os braços e as pernas como uma estrela do mar. Então você decide nadar em uma piscina rasa do tamanho de uma quadra de basquete. Todas as coisas sendo iguais, você entrará em contato com mais área da superfície da água se você remar ao redor da piscina rasa do que flutuar na cilíndrica profunda. É assim que os nanocristais também funcionam. Suas muitas pequenas partículas têm mais superfícies expostas a outros produtos químicos ou elementos, o que pode levar a uma maior taxa de reação química

Essa maior área de superfície torna os nanocristais bons catalisadores, ou substâncias que permitem reações químicas. Quando usados ​​como catalisadores, os nanocristais podem aumentar a velocidade de uma reação química sem sofrer alterações. Isso significa que os nanocristais podem converter matérias-primas em combustível a temperaturas mais baixas do que outros catalisadores. Por outro lado, os nanocristais permitem queimar mais combustível a uma temperatura mais baixa.

A nanotecnologia pode tornar mais viável a tecnologia de combustível alternativo existente. Por exemplo, o milho é convertido em etanol , um combustível alternativo não fóssil. Mas quando o milho germina e é irrigado, colhido, transportado e então convertido em etanol, o processo não é particularmente eficiente em termos de custo ou energia. Ao usar nanocristais como catalisadores, um exército de enzimas poderia consumir com eficiência e rapidez materiais residuais como lascas de madeira ou grama e convertê-los em etanol [fonte: Understanding Nano ].

Há apenas um problema, no entanto. As nanopartículas, embora ocorram naturalmente, são mais difíceis de fabricar propositalmente. Os pesquisadores ainda não descobriram uma maneira de aproveitar as nanopartículas, muito menos produzi-las em massa. Quando isso acontecer, poderemos ter uma fonte de energia renovável, eficiente e barata – uma que poderia resultar em contas de energia mais baixas e veículos com maior quilometragem do motor.

Quem cunhou a frase?

Em 1986, um engenheiro americano chamado K. Eric Drexler escreveu "Engines of Creation" e introduziu o termo nanotecnologia. Ele estava na vanguarda de um campo florescente de estudo científico que passou a capturar a imaginação de inventores e indústrias. Em 2013, havia mais de 40.000 patentes com a palavra "nano" registradas no US Patent Office [fonte: US Patent and Trademark Office ].

Ligue uma lanterna e você está testemunhando uma célula de combustível em funcionamento. Em sua forma mais básica, uma célula de combustível é uma fonte de energia que usa uma reação química para produzir uma corrente elétrica. A bateria dentro da lanterna é uma célula de combustível que confina seus produtos químicos em um pequeno pacote arrumado. Uma vez que os produtos químicos se desgastam e não podem mais reagir uns com os outros, a bateria pode ser recarregada ou jogada fora.

Existe outro tipo de célula de combustível que depende da entrada de elementos externos. Em vez de ter todos os seus elementos fechados, uma célula a combustível de hidrogênio, por exemplo, precisa de acesso a elementos periféricos como hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade [fonte: CAFCP ]. E é aí que entra a nanotecnologia. A aplicação da nanotecnologia pode fazer com que as células de combustível de hidrogênio funcionem de forma mais eficiente e torná-las menos caras para produzir; isso pode resultar em preços mais baixos para veículos movidos a esse tipo de energia alternativa, bem como na produção de células a combustível que requerem menos energia para operar.

Com os nanocristais em jogo, os custos de fabricação de células de combustível também podem cair. Tradicionalmente, as células de combustível de hidrogênio usam platina como catalisador para converter elementos externos em energia. A platina é relativamente rara e extraída através de mineração intensiva em energia. Ao usar nanocristais de platina, reduz bastante a quantidade de platina cara necessária para fazer uma célula de combustível funcionar. Em alguns casos, nanocristais de materiais menos caros, como o cobalto, podem ser usados ​​para contornar completamente a necessidade de platina [fonte: Understanding Nano ].

Os nanocristais também podem mudar o material usado para construir células de combustível. A maioria das células de combustível usa líquido para conectar eletrodos porque o líquido é um condutor melhor do que um material sólido. Mas ao infundir materiais sólidos com nanocristais, os próprios materiais se tornam mais propícios, eliminando a necessidade de um condutor líquido, o que leva a economia de espaço, maior condutividade e células de combustível menores [fonte: Science Daily ]. No final, a tecnologia usando algumas das menores partículas do mundo pode levar à próxima grande fonte de combustível – ou pelo menos uma maneira mais eficiente de usar as fontes de combustível que já temos.

Colheita de hidrogênio

O hidrogênio é um dos elementos mais abundantes na Terra. Ele pode ser extraído da água e não precisa ser fabricado como outros combustíveis. Quando é usado como combustível, o vapor de água é o único subproduto. Hoje, os pesquisadores estão no rastro de uma nova maneira de extrair hidrogênio da água. Usando apenas a luz solar e um catalisador de nanocristal de níquel barato, eles podem produzir combustível de hidrogênio por várias semanas antes que o processo comece a desacelerar [fonte: Dume ].

Nota do autor: Os nanocristais podem ser a próxima grande fonte de combustível?

Imaginar duas piscinas é uma ótima maneira de visualizar as diferenças estruturais das nanopartículas. Sua piscina de mergulho estreita pode ser profunda ou até conter um volume maior de água, mas sua área de superfície é muito menor do que a piscina de raia larga e rasa. As nanopartículas também ficam com muita área de superfície exposta, o que pode levar a uma maior taxa de reação química. Pelo menos, é nisso que estarei pensando na próxima vez que passar uma tarde preguiçosa na piscina.

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