Desde a constru��o civil at� a produ��o automotiva, a aplica��o das fibras de carbono causa admira��o e curiosidade. O material � conhecido pela leveza e pela for�a mec�nica, servindo, inclusive, como substituto do a�o e do alum�nio, com a vantagem de n�o sofrer corros�o semelhante � famosa ferrugem. Cientistas do Instituto Polit�cnico da Universidade Estadual da Virg�nia (Virginia Tech), nos Estados Unidos, apostam em um uso inusitado do material: no armazenamento de energia.
A equipe apresentou recentemente, nas revistas Nature Communications e Science Advances, uma estrutura porosa de fibras de carbono que consegue armazenar energia eletroqu�mica. A aposta � que a cria��o poder� ser usada para construir novos tipos de baterias de carros el�tricos e drones e at� mesmo a lataria externa dos autom�veis.
Para funcionar como boas fontes de energia, dispositivos de armazenamento seguem duas caracter�sticas primordiais: alta densidade de energia e altas taxas de movimenta��o de carga de el�trons ou �ons. A primeira � crucial para grandes n�veis de energia no aparelho, enquanto a segunda � importante para gerar pot�ncias �teis. Entretanto, o carbono n�o consegue atender aos dois quesitos.
A equipe estadunidense identificou a solu��o usando pseudocapacitores, um grupo de subst�ncias que consegue reunir altos n�veis de energia. Entre as v�rias possibilidades, o di�xido de mangan�s (MnO2) � um dos que t�m o melhor desempenho. Ao juntar fibras de carbono e o MnO2, os cientistas acreditam ter chegado a uma estrutura eletroqu�mica ideal e eficiente. Enquanto o pseudocapacitor � respons�vel por armazenar a energia, o material de carbono serve como um suporte para o dispositivo.
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A quest�o �: por que o carbono como suporte?. Porque ele � um condutor el�trico que se destaca. N�o � toa, os eletrodos mais usados s�o os de carbono. Em contraposi��o, o di�xido de magn�sio n�o tem essa mesma habilidade de condu��o”, explica Marcos Juliano Prauchner, professor do Instituto de Qu�mica da Universidade de Bras�lia (UnB) e pesquisador em fibras de carbono.
Poroso
Um novo impasse teve que ser enfrentado pelos cientistas devido � escolha do uso de um pseudocapacitor. Quando em grandes quantidades, o di�xido de mangan�s dificulta o transporte de �ons na fibra de carbono material. Por outro lado, em pequenas por��es, n�o pode armazenar n�veis relevantes de energia. A cria��o de uma estrutura porosa de fibras de carbono preenchida com o MnO2 resolveu o problema.
Segundo Guoliang Liu, um dos autores da pesquisa e professor do Departamento de Qu�mica da Virginia Tech, at� o tamanho dos poros do material de carbono influenciaram no resultado alcan�ado. “A uniformidade da estrutura porosa � a chave. Carbonos microporosos levariam ao entupimento dos poros com o acr�scimo do MnO2. J� carbonos macroporosos reduziriam a �rea de superf�cie necess�ria. Em contrapartida, materiais mesoporosos podem fornecer altas taxas de carga e descarga e uma �rea superficial elevada para o carregamento de MnO2”, detalha. A estrutura de fibras de carbono criada por Liu e sua equipe tem poros de 11,7 nan�metros (nm), medida de um mesoporo, que pode ir de 2nm a 50nm.
Dessa forma, a estrutura porosa n�o � entupida pelo di�xido e pode transportar os �ons normalmente. O suporte consegue aderir 7mg/cm2 do di�xido de mangan�s. O valor � dupla ou triplamente maior que o encontrado na ind�stria, de acordo com os pesquisadores estadunidenses. Quanto maior a ader�ncia, maior a capacidade de armazenamento de um material. “� significativamente maior quando comparado a materiais de suporte convencionais”, avalia Luiz Pardini, presidente da Associa��o Brasileira de Carbonos.
Diante dos resultados alcan�ados, Guoliang Liu afirma, otimista, que o produto tem grande potencial para ser usado em tecnologias futuras. “As fibras de carbono porosas s�o uma classe importante de materiais para uma variedade de aplica��es, desde separa��o, filtra��o, cat�lise e armazenamento at� convers�o de energia. Elas ser�o as fibras de carbono da com dupla possibilidade de uso, seja como suporte estrutural, seja como material funcional”, aposta.
E a reciclagem?
Ao mesmo tempo que viabilizam a cria��o de produtos mais leves e resistentes, as fibras de carbono preocupam ambientalistas. Em 2017, a organiza��o n�o governamental Green Alliance listou a fibra de carbono como parte da pr�xima gera��o de materiais respons�veis por gerar grandes quantidades de res�duos no mundo. Por conta de sua estrutura interna, as fibras s�o de dif�cil reutiliza��o e, geralmente, acabam sendo depositadas em aterros sanit�rios quando perdem a utilidade.
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Estreia na engenharia
As fibras de carbono foram introduzidas para uso em engenharia no in�cio da d�cada de 1970, e os benef�cios trazidos pelo produto atingiram diversas �reas. Uma delas, por exemplo, � avia��o, como lembra Luiz Pardini, presidente da Associa��o Brasileira de Carbono. “O exemplo mais contundente de uso de fibras de carbono na �rea aeron�utica � a aeronave Boeing 787 (foto), com 50% da massa composta de combina��es com o material”, diz.
O especialista explica que a restri��o europeia de limitar o peso em ve�culos automotores potencializou o uso de fibras de carbono a custos compat�veis com materiais convencionais, como o a�o e o alum�nio. O crescimento do uso do material na �rea automotiva foi previsto em relat�rio de 2016 da empresa de pesquisa Composites Forecasts and Consulting LLC. A aposta � de que o ramo ser� o mais beneficiado com fibras de carbono nos pr�ximos anos.