Método de nova geração pode acelerar a tecnologia de membranas nanoporosas #ÚltimasNotícias

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Membranas nanoporosas com furos em escala atômica menores que um bilionésimo de metro têm um poderoso potencial para descontaminar água poluída, extraindo íons metálicos valiosos da água ou para geradores de energia osmótica.

Mas essas aplicações interessantes foram limitadas em parte pelo tedioso processo de tunelamento de poros subnanômetros individuais, um por um.

“Se quisermos ampliar as membranas de material 2D para serem relevantes para aplicações fora do laboratório, o método ‘um poro de cada vez’ simplesmente não é viável”, disse Eli Hoenig. “Mas, mesmo dentro dos limites dos experimentos de laboratório, uma membrana nanoporosa fornece sinais significativamente maiores do que um único poro, aumentando a sensibilidade.”

Hoenig é o primeiro autor de um artigo publicado recentemente em Comunicações da Natureza que encontrou um novo caminho em torno deste problema de longa data. No âmbito da PME Asst. Prof. Chong Liu, a equipe criou um novo método de geração de poros que constrói materiais com pontos fracos intencionais e, em seguida, aplica um campo elétrico remoto para gerar vários poros em nanoescala de uma só vez.

“Nossa lógica é que, se pudermos pré-projetar a aparência do material e projetar onde estão os pontos fracos, então, quando fizermos a geração dos poros, o campo identificará esses pontos mais fracos e começará a fazer furos lá primeiro”, Liu disse.

A força da fraqueza

Ao sobrepor algumas camadas de dissulfeto de molibdênio policristalino, a equipe pode controlar onde os cristais se encontram.

“Digamos que eu tenha dois cristais perfeitos. Quando os dois cristais se juntam, eles não ficam bem, apenas colados. Há uma interface onde eles começam a se conectar”, disse Liu. “Isso é chamado de limite de grão.”

Isso significa que eles podem “pré-padronizar” os limites dos grãos – e os poros que eventualmente se formarão ali – com um nível notável de controle.

Mas não é apenas a localização que pode ser ajustada através desta técnica. A concentração dos poros e até mesmo seus tamanhos podem ser determinados antecipadamente. A equipe conseguiu ajustar o tamanho do poro de 4 nanômetros para menos de 1 nanômetro.

Isto permite flexibilidade para sistemas de tratamento de água de engenharia, células de combustível ou qualquer outra aplicação.

“As pessoas querem criar e confinar os poros com precisão, mas geralmente o método é limitado, de modo que você só pode criar um poro de cada vez”, disse Liu. “E é por isso que desenvolvemos um método para criar poros de alta densidade onde você ainda é capaz de controlar a precisão e o tamanho de cada poro individual.”

Embora a técnica tenha vários usos, Hoenig considera as aplicações ambientais mais interessantes. Estas incluem o tratamento de água e a extracção de materiais valiosos, como o lítio necessário para as baterias à escala da rede exigidas pela transição mundial para as energias renováveis.

“A descontaminação direcionada da água e a recuperação de recursos são, pelo menos neste nível científico básico, duas faces da mesma moeda, e ambas, para mim, são realmente importantes”, disse Hoenig.

Liu disse que este novo artigo é um desdobramento intelectual de uma colaboração interdisciplinar com o laboratório focado em baterias da PME Prof. Shirley Meng e PME Asst. Grupo quântico do Prof. Shuolong Yang. Trabalhando em silos acadêmicos, os três laboratórios colaboraram anteriormente para superar um obstáculo de longa data no crescimento de qubits quânticos em cristais.

“Nossas três equipes estão tentando desenvolver técnicas de síntese de precisão, não apenas para um tipo de material e não apenas para um tipo de propriedade do material”, disse Liu. “Juntos, estamos analisando como podemos manipular a composição, estrutura, e defeitos para poder criar defeitos e poros precisos.”

Referência: Hoenig E, Han Y, Xu K, Li J, Wang M, Liu C. Geração in situ de poros (sub) nanômetros em membranas MoS2 para transporte seletivo de íons. Comunidade Nacional. 2024;15(1):7911. faça: 10.1038/s41467-024-52109-8

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