A equipe de pesquisa da Northwestern University demonstrou recentemente um novo material de armazenamento de energia completamente diferente das baterias tradicionais: ele existe na forma de um líquido amarelo. Após ser “carregado” sob a ação da luz visível, corrente elétrica, combustíveis químicos ou raios X, ele se reunirá espontaneamente e se transformará em um hidrogel condutor preto. Ele pode armazenar elétrons por vários meses na ausência de oxigênio e liberar esses elétrons em oxigênio quando necessário para fornecer poder oxidativo para reações químicas subsequentes.
Os resultados da pesquisa, publicados na revista Chem, são descritos pela equipe como um sistema químico “inspirado em células”, capaz de integrar coleta de energia, armazenamento de energia, remodelação estrutural e funções catalíticas em uma única plataforma de material macio. Diferente do conceito tradicional de baterias de íons de lítio usadas para alimentar telefones celulares e outros dispositivos, este material não é uma bateria eletroquímica que produz uma corrente estável, mas é mais como um depósito de matéria mole que pode "preencher" e "liberar" repetidamente energia redox química.
Num estado descarregado, o material é um líquido amarelo composto de pequenos agregados moleculares globulares; quando expostas a fontes de energia como luz visível, corrente elétrica, combustíveis químicos ou raios X, as moléculas aceitam elétrons e alteram sua estrutura eletrônica, desencadeando o empilhamento e combinação de moléculas, por meio de interações π-π e da formação de "pímeros" de radicais livres e, finalmente, reorganizados em fibras poliméricas supramoleculares de cadeia longa, permitindo que o líquido originalmente solto seja reconstruído em um hidrogel condutor preto. Neste processo, o próprio "estado carregado" é um "estado de montagem". As moléculas não armazenam carga passivamente como os íons nos eletrodos de baterias tradicionais, mas se reorganizam em torno de elétrons extras para construir uma nova estrutura macia, estabilizando fisicamente esses elétrons armazenados.
Em um ambiente livre de oxigênio, esse gel preto pode selar elétrons por muito tempo. A equipe afirma que pode manter o estado de armazenamento de energia por vários meses sem oxigênio. Quando a energia precisa ser liberada, o oxigênio é introduzido. As moléculas de oxigênio aceitam elétrons armazenados no gel para gerar espécies contendo oxigênio altamente reativas. Estas espécies reativas de oxigênio podem oxidar substratos orgânicos e promover uma série de reações redox. Em outras palavras, o material produz trabalho redox químico em vez de corrente elétrica. O que ele armazena é a energia química que existe dentro do gel na forma de elétrons extras. Uma vez exposto ao ar, o oxigênio consome esses elétrons e faz com que o material retorne gradualmente ao seu estado líquido amarelo original.
A equipa de investigação considera este sistema como um modelo de “fotocatálise escura”: Na fotocatálise tradicional, a luz deve estar continuamente envolvida quando a reação ocorre; neste trabalho, o material pode ser “pré-carregado” com energia luminosa ou outra energia antecipadamente, e então armazenar elétrons em um ambiente escuro por um longo tempo. Quando necessário no futuro, esses elétrons armazenados podem ser usados para conduzir reações químicas através da oxidação. Isto significa que se espera que certos processos catalíticos acionados pela luz continuem na ausência de luz no futuro, proporcionando nova flexibilidade de tempo e espaço para remediação ambiental, degradação de poluentes, esterilização de superfície e uma série de química fotocatalítica.
A equipe da Northwestern University enfatizou que este é o primeiro exemplo de um material que armazena energia por meio de “auto-reconfiguração”: a captura, armazenamento e liberação de energia não dependem mais de dispositivos de engenharia de estrutura fixa (como eletrodos em baterias ou semicondutores em células solares), mas são entregues a uma plataforma de matéria mole que pode alterar dinamicamente sua própria estrutura durante o processo de carga e descarga. Depois de completar a reação de oxidação, o oxigênio continuará a consumir elétrons no gel e gradualmente o reverterá para um líquido amarelo. Este processo de “reset” também permite que o sistema seja recarregado e tem potencial para reciclagem.
Atualmente, a pesquisa ainda está em fase conceitual e laboratorial. O artigo foi publicado pela revista "Chem". O comunicado de imprensa oficial da Northwestern University o posiciona como um tipo de material inspirado em células que “captura energia e a libera sob demanda”, fornecendo novas ideias de design para exploração futura nas áreas de armazenamento de energia de longa duração, catálise programável e aplicações ambientais.