Descoberto sólido que conduz íons tão bem quanto os líquidos

Condutor iônico sólido

Praticamente toda a nossa tecnologia se baseia no movimento dos elétrons, mas a “tecnologia natural” da biologia prefere o movimento dos íons. Não por acaso, há um esforço crescente para desenvolver tecnologias iontrônicas, que podem, por exemplo, imitar o modo como o cérebro funciona. Túneis sustentáveis

Os metais são ótimos para conduzir elétrons, enquanto os semicondutores permitem manipulá-los à vontade. Mas ainda faltam materiais adequados ao fluxo de íons, que possam acelerar os sistemas iontrônicos, como a computação iônica em geral e a computação neuromórfica em particular.

Agora, Juliet Barclay e colegas da Universidade de Oxford, no Reino Unido, criaram uma nova família de materiais orgânicos sólidos que conduzem íons tão bem quanto os líquidos, sem uma queda acentuada na mobilidade iônica quando o material, que é um sal, se solidifica.

A descoberta supera uma limitação de longa data na eletroquímica: A de que o congelamento ou a cristalização de um líquido inevitavelmente diminui a mobilidade iônica. Normalmente, quando os líquidos se solidificam suas moléculas se tornam fixas, dificultando muito a movimentação dos íons, levando a uma queda acentuada na condutividade iônica.

Esta nova classe de materiais, batizada de eletrólitos independentes de estado, quebra essa regra.

Condução iônica

A equipe projetou uma nova classe de íons moleculares orgânicos com propriedades físicas e eletrônicas especiais. Cada molécula possui um centro plano em forma de disco, circundado por longas cadeias laterais flexíveis, como uma roda com cerdas macias. A carga positiva é distribuída uniformemente pela molécula devido ao movimento dos elétrons, o que impede que ela se ligue fortemente à sua contraparte carregada negativamente. Isso permite que os íons negativos se movam livremente, fluindo através das cadeias laterais – as “cerdas macias”.

Quando o material chega ao estado sólido, esses íons orgânicos se empilham naturalmente uns sobre os outros, formando longas colunas rígidas cercadas por muitos braços flexíveis, uma estrutura muito parecida com os rolos de um lava-jato. Apesar de formarem uma estrutura ordenada, as cadeias laterais flexíveis ainda criam espaço suficiente para que os íons negativos continuem se movendo tão livremente quanto no líquido.

O resultado é uma estrutura dinâmica e ordenada que permite que os íons carregados negativamente se movam com a mesma facilidade no estado sólido e na forma líquida, sem uma queda acentuada na condutividade iônica. Esse comportamento inusitado permanece não apenas nas fases líquida e sólida, mas também na fase de cristal líquido, abrindo ainda mais possibilidades de uso prático.

“É incrivelmente gratificante descobrir algo que muda a forma como pensamos sobre o funcionamento dos materiais. Demonstramos que materiais orgânicos podem ser projetados de forma que o movimento dos íons não seja interrompido quando o material se solidifica. Isso abre novas possibilidades para dispositivos de estado sólido mais seguros e leves, que funcionem de forma eficiente em amplas faixas de temperatura,” disse Barclay.

Eletrólitos para baterias e computação

Os novos condutores iônicos de estado sólido deverão viabilizar o desenvolvimento de novas classes de eletrólitos sólidos flexíveis e mais seguros do que os atuais. Um possível caminho seria adicionar o eletrólito a um dispositivo na forma líquida, a uma temperatura ligeiramente elevada, permitindo um bom contato com os eletrodos, antes de resfriá-lo à temperatura ambiente, e então utilizá-lo em sua forma sólida e segura, sem perder a condutividade iônica.

Os eletrólitos sólidos resultantes teriam aplicações amplas em baterias, sensores e dispositivos eletrocrômicos, onde os sólidos orgânicos são geralmente vantajosos em relação aos materiais inorgânicos devido às suas propriedades físicas de leveza e flexibilidade, e ao potencial de serem obtidos de forma renovável.

A equipe já está trabalhando para aumentar a condutividade iônica e a versatilidade dos materiais, bem como utilizá-los em demonstrações de dispositivos eletrônicos para computação inspirada no cérebro.

Bibliografia:

Artigo: State-Independent Ionic Conductivity

Autores: Juliet Barclay, J. M. Williamson, H. Litt, S. J. Cowling, K. Shimizu, A. A. Freitas, S. Poppe, J. Sturala, Y. Sun, M. Kohout, A.-J. Avestro, J. N. Canongia Lopes, C. Groves, J. C. Jones, Paul R. McGonigal

Revista: Science

Vol.: 390, Issue 6779 pp. 1254-1258

DOI: 10.1126/science.adk0786