Eletrodos de supercapacitores dar um mergulho

Eletrodos de imersão aumenta a capacitância

Uma nova e simples "imersão" técnica que pode melhorar significativamente o desempenho de supercapacitores foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Stanford em os EUA. O método, chamado de "embrulho condutora", poderia ser aplicado a uma gama de materiais de eletrodo. Pode até ser usado para melhorar a próxima geração de eletrodos feitos de fosfato de lítio de enxofre, manganês e silício para uso em baterias de lítio.

Supercapacitores - mais precisamente conhecido como capacitores elétricos de dupla camada ou eletroquímica - pode armazenar carga muito mais que um capacitor convencional. Isso graças a uma dupla camada que se forma na interface eletrólito-eletrodo de tais dispositivos, quando uma voltagem é aplicada.

A técnica de moldagem de condutores pode aumentar ainda mais a capacitância de um supercapacitor, aumentando a condutividade dos eletrodos - o que aumenta a capacidade do dispositivo para armazenar carga. Desenvolvido por Zhenan Bao, Cui Yi e seus colegas, o processo envolve mergulhando um eletrodo composto feito de óxido de grafeno e manganês em uma solução contendo nanotubos de carbono ou (CNT) ou um polímero condutor. Os nanotubos de carbono ou polímero revestimento do eletrodo e aumentar a sua capacidade de armazenar carga por mais de 20% para o revestimento CNT e 45% para o polímero.

Maior capacidade específica

A capacidade específica obtidos pelos pesquisadores (cerca de 380 F / g) é comparável a outros manganês óxido-baseado eletrodos, que normalmente têm capacitâncias específicos de entre 250-400 F / g.No entanto, os eletrodos híbrido também mostram "a capacidade da taxa" bom - o que significa que eles mantêm a sua alta capacitância em altas taxas de carregamento e descarregamento. Isto está em contraste com os convencionais de óxido de metal com base em eletrodos, que normalmente têm capacidade de taxa de pobres, porque eles têm condutividade iônica e eletrônica baixo.

Como resultado, os novos eletrodos também podem ser usados ​​por mais de 3000 ciclos de carga-descarga, mantendo mais de 95% da sua capacitância. Quando combinado com o fato de que os eletrodos têm uma capacidade muito maior do que específica comercial existente supercapacitores baseados em carbono (150-250 F / g), a técnica de moldagem de condutores parece promissor.

Em larga escala de armazenamento de energia aplicações

"O sistema híbrido eletrodo que desenvolvemos mostra a promessa para grandes aplicações de armazenamento de energia", diz o membro da equipa Guihua Yu. "Do ponto de vista de seleção de materiais, tanto de grafeno e MnO ₂ são materiais de eletrodo atraente dado que ambos carbono e manganês são baratos e abundantes. Do ponto de vista do processamento, o nosso método de revestimento é a solução baseada e fácil de escalar. "

Os pesquisadores agora estão ocupados trabalhando na melhoria do desempenho dos eletrodos em baterias de lítio usando o método."Nossa nova abordagem poderia ser aplicada a uma ampla gama de materiais de armazenamento de energia eletrodo que têm alta densidade de energia, mas que o desempenho mostram limitado devido à sua natureza de isolamento", diz Yu.

Os resultados são relatados na revista Nano Letters .

Teorema ergódico passa no teste

Todos por um e um por todos

Por mais de um século os cientistas têm contado com o "teorema ergódico" para explicar processos difusivos, como o movimento das moléculas em um líquido. No entanto, eles não foram capazes de confirmar experimentalmente um princípio central do teorema - que a média de medições repetidas do movimento aleatório de uma molécula individual é o mesmo que o movimento aleatório de todo o conjunto dessas moléculas. Agora, no entanto, os pesquisadores na Alemanha mediram dois parâmetros no mesmo sistema - tornando-o primeiro a confirmar experimentalmente que o teorema ergódico aplica-se a difusão.

Os experimentos desenvolvidos a partir da obra de Christoph Bräuchle e uma equipe da Universidade Ludwig-Maximilians, em Munique, que desenvolveu uma técnica para acompanhar moléculas de corante individuais dissolvidos em álcool, que passam então através de um material nanoporoso. Difusão tal é mais do que interesse apenas acadêmico, pois desempenha um papel importante em uma série de tecnologias, incluindo peneiras molecular, catálise e entrega da droga.

Pontinhos de luz

Para confirmar o teorema ergódico, a equipe acompanhou o Bräuchle de moléculas, iluminando a amostra com luz. Isso faz com que as moléculas fluorescentes para que eles aparecem como pontinhos de luz, quando vistos através de um microscópio de alta potência óptica. Usando moléculas de corante em concentração muito baixa, os pesquisadores asseguraram que cada ponto de luz corresponde a apenas uma molécula. Assim, medindo o perfil de intensidade de um ponto e encontrar o seu centróide, a equipe de Munique foi capaz de determinar a posição de uma molécula do corante para dentro de cerca de 5 nm. Moléculas individuais poderiam então ser seguidas quando se moviam através da amostra, tomando uma série de instantâneos.

Enquanto isso, uma equipe liderada por Jörg Karger da Universidade de Leipzig usaram uma técnica de ressonância magnética nuclear (RMN) para controlar a difusão de todas as moléculas de corante em uma amostra similar. O campo pulsado-gradient método de RMN é sensível apenas ao movimento coletivo de todas as moléculas de corante e não pode determinar moléculas individuais. Comparando os resultados dos dois grupos mostrou que a média de muitas medidas da difusividade de moléculas de corante individual (medida em Munique) foi idêntica à difusividade coletiva das moléculas de corante (medido em Leipzig). Considerando que a difusão envolve a movimentos aleatórios das moléculas, o estudo confirma, assim, o teorema ergódico.

Requisitos conflitantes

Bräuchle disse physicsworld.com que o principal desafio era encontrar um sistema que poderia ser estudado utilizando ambas as técnicas. O método de fluorescência funciona melhor quando a concentração do corante é extremamente baixa e as moléculas se movem muito lentamente - ao passo que as medidas de RMN precisa concentrações muito mais elevadas e mais rápido movimento. O compromisso envolveu o uso de um material especial microporoso que desacelerou as moléculas e constrangeu-os a um plano de modo que eles eram mais fáceis de controlar com o microscópio. Além disso, a concentração do corante nos experimentos de RMN foi de cerca de 10 vezes maior do que o utilizado para as medições de fluorescência.

Agora que os pesquisadores elaboraram uma forma de confirmar o teorema ergódico, eles estão ansiosos para utilizar a técnica de pesquisa para sistemas que não obedecem o teorema. Bräuchle acredita que isso poderia ocorrer quando algumas moléculas se difundem através de células vivas - algo que poderia ter implicações importantes para como as drogas são projetados.

A pesquisa é descrita na Angewandte Chemie .

Vírus ajuda a construir novos materiais

Fazer macarrão de um vírus

Cientistas em os EUA usaram um vírus comum para produzir materiais que se assemelham a pele e osso. Além de fornecer novos insights sobre como esses materiais se desenvolvem no mundo natural, o trabalho também traz a produção sintética de tecido no laboratório mais próximo da realidade.

Na natureza, os materiais completamente diferentes são muitas vezes montados a partir de muitas cópias da mesma molécula básica, como uma proteína. Colágeno tipo I, por exemplo, é uma molécula de proteína que pode combinar com várias outras substâncias químicas para formar pele, ossos ou mesmo tecido ocular. Este processo é chamado de auto-templating porque as moléculas individuais não são montados de acordo com um modelo externo. Em vez disso, fatores termodinâmicos como temperatura e concentração da solução são controlados para assegurar que a configuração desejada é aquela que é energeticamente favorecida.

Os cientistas estão ansiosos para imitar esses processos -, mas a extrema sensibilidade a fatores termodinâmicos que impulsiona a auto-templating faz tais moléculas extremamente difícil de trabalhar no laboratório. Com efeito, permanece um mistério como a natureza pode conseguir o controle de precisão que até agora tem escapado químico do laboratório.

Vai viral

Uma solução elegante para este problema é usar o fago M13 como uma unidade de base, ao invés de uma molécula como o colágeno.M13 é um vírus que ataca E. coli bactérias, mas é inofensivo aos seres humanos. É relativamente fácil de cultivar e de controle no laboratório, porque suas capas de proteína podem ser manipulados pela engenharia genética - um truque descoberto por Seung-Wuk Lee, Angela Belcher e seus colegas da Universidade do Texas em Austin em 2002.

Neste último trabalho, os pesquisadores liderados por Lee, agora na Universidade da Califórnia, Berkeley, eo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, analisaram as condições físicas em que diferentes estruturas moleculares formariam a partir de vírus geneticamente modificados M13. Eles começaram com placas sólidas imersas em uma solução de sal-vírus rica e cuidadosamente tirou as placas fora da solução, permitindo a solução de sal a evaporar, deixando uma fina película de vírus nas placas.

Como a concentração da solução de vírus foi aumentada, também fez a complexidade dos padrões nas placas. Em concentrações de 0,1-0,2 mg / ml, os pesquisadores viram um padrão simples alternância de cordilheiras e sulcos. No entanto, em uma concentração de 6 mg / ml, os padrões nas placas mostrou muito mais complexa, a ordem de longo alcance que os pesquisadores dizem que é uma reminiscência de secas macarrão.

Macarrão puxando

Os pesquisadores também investigaram o efeito da velocidade de extração. Eles descobriram que as propriedades ópticas desses "ramen-noodle-like" estruturas variadas distintamente dependendo de quão rápido a placa foi retirada da solução. Aumentando a velocidade puxando de 50 mm / min a 80 mM / min reduziu o pico de comprimento de onda refletido de um filme a partir de 490 nm para 388 nm. Os cientistas apontam que os materiais naturais com comprimentos de onda, tais são o que dão algumas penas de pássaros e conchas besouro deslumbrante cor estrutural.

A equipe produziu granel estruturas 3D usando seus filmes como substratos para cultivar células. As células cresceram de forma diferente em diferentes filmes. Em um substrato, os cientistas ainda conseguiu crescer tecido mineralizado semelhante ao esmalte do dente.

Lee sublinha que seu grupo não tem a pretensão de ter replicado os processos utilizados para produzir esses materiais no mundo natural - algo que ainda é pouco compreendida. "Acreditamos que o processo real de como a natureza produz desses materiais está muito longe de nosso processo, mas o importante é que começamos a testar a importância dos fatores cinéticos e então começar a engenheiro, e muito perto imitar, as estruturas que a natureza produz ", diz ele.

Belcher, que agora trabalha no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e não estava envolvido no trabalho recente, está impressionado. "Acho que o aspecto mais interessante deste trabalho é a capacidade de usar um bloco de construção sintonizável geneticamente única molecular finamente a controlar a auto-modelagem e montagem de materiais em vários níveis de organização. Os pesquisadores então explorar essa ordenação de um conjunto diversificado de aplicações. Este sistema deve ser facilmente adaptado para outras aplicações e materiais ", diz ele.

A pesquisa é descrita na Nature .

Músculos de nanotubos de torção e volta

Nanotubos de carbono de fios

Uma equipe internacional de pesquisadores inventaram um novo tipo de músculo artificial que é feito de nanotubos de carbono threads. As novas estruturas diferem de outros músculos artificiais em que eles podem torcer e girar muito rapidamente.

Os novos tópicos poderia desempenhar um papel importante em tecnologias que exigem movimentos mecânicos, mas onde o espaço é limitado, diz Geoff Spinks da Universidade de Wollongong, na Austrália, que estava envolvida no trabalho. Exemplos incluem a microfluídica, válvulas e robótica. O desenvolvimento será recebido por nanotecnólogos, que têm lutado para criar nanoescala atuadores mecânicos. Novas idéias são necessárias, pois pode ser difícil construir versões minúsculas de dispositivos convencionais - e até quando é possível, como versões em miniatura, muitas vezes um mau desempenho.

Os músculos, feitos por uma equipe liderada por Spinks e Baughman Ray, da Universidade do Texas em Dallas, são compostas de finos de nanotubos de carbono-threads, ou "fios".Nanotubos de carbono são, eles próprios cilindros ocos de folhas de carbono enroladas, o que pode ser apenas um átomo de espessura.Chave para fazer as estruturas de torção é torcer os nanotubos de carbono como elas são feitas em um thread, explica Spinks. "A torção produz uma estrutura helicoidal dos nanotubos de carbono entrelaçadas", diz ele.

Descontrair com uma torção

Os pesquisadores tomar comprimentos do fio de nanotubos e mergulha-as parcialmente em um líquido eletricamente condutor (ou eletrólito). Eles, então, segurar cada extremidade de um segmento com firmeza e ligue uma extremidade do mesmo para uma fonte de energia como uma bateria de baixa tensão. Quando a energia é aplicada, o fio absorve um pouco do líquido e incha. A pressão produzida posteriormente por expansão faz com que a estrutura parcialmente torcido para relaxar, criando assim uma ação de rotação semelhante ao observado ao esticar uma mola helicoidal. A estrutura pode ser feito para girar no sentido oposto, diminuindo a tensão aplicada.

Nanotubos de carbono em um toque

A equipe observou a rotação, anexando uma pá de plástico para a lista de discussão.Eles descobriram que podiam produzir rotações de cerca de 250 ° por milímetro de comprimento da rosca.Este valor é aproximadamente 1000 vezes maior do que as observadas em anos anteriores torção artificial músculo-sistemas que são baseados em ferroelétricos, com memória de forma ligas ou polímeros condutores orgânicos, Spinks reivindicações. E isso não é tudo: a potência de saída por unidade de massa do fio já rivaliza com a dos motores elétricos convencionais.

"Os nanotubos de carbono, que normalmente são duras e fortes, mas que foram feitas mais flexível, girando-os em fios, são ideais para fazer músculo-estruturas, tais como, porque eles têm boa condutibilidade elétrica", acrescenta Spinks. "Nosso trabalho também mostra que podemos cobrar de forma eficiente o segmento com poucos volts de eletricidade, e que os fios são fortes o suficiente para sustentar pesos grandes - por exemplo, a pá de plástico que é anexado quase 2000 vezes mais pesado do que o próprio fio. "

Propulsora microrobots

As estruturas podem ser úteis em aplicações tais como bombas de microfluídica, drivers de válvula e misturadores. Na verdade, o set-up utilizado por pesquisadores (uma pá de plástico ligado ao fios de rotação) é um mixer simples em seu próprio direito. Fluidos mistura sobre o micro e nano-escala é difícil, mas será crucial para lab-on-chip de diagnóstico, por exemplo. "Outras aplicações prováveis ​​são difíceis de prever, mas nós somos fascinados pela possibilidade de usar o nosso músculo torsional como um flagelo que iria impulsionar um microrobot da mesma forma que impulsiona uma bactéria", diz Spinks.

A equipe - que também inclui cientistas da University of British Columbia, no Canadá e na Universidade de Hanyang, em Seul, Coréia do Sul - espera agora a estudar o músculo-estruturas semelhantes em mais detalhes e otimizar a geometria de fios. Ele também espera produzir ainda melhor desempenho de nanotubos de carbono músculos de torção, ajustando o ângulo torcer e diâmetro.

O trabalho é relatado na Ciência .

Seis regras para nano-design

Reticulados cristalinos compreendendo nanopartículas de ouro e linkers DNA

Um dos grandes desafios enfrentados pelos investigadores da nanotecnologia é a compreensão de como as partículas interagem em escala nanométrica, a fim de projetar dispositivos que são robustos e confiáveis. Agora, um grupo de cientistas de que os EUA formularam um conjunto de regras básicas que podem ajudar nesta tarefa.

Chad Mirkin e colegas da Northwestern University, examinaram especificamente o caso de nanoestruturas formadas por nanopartículas de ouro ligadas em treliças usando DNA. No entanto, eles dizem que os resultados devem ser aplicáveis ​​a qualquer tipo de nanopartículas esféricas que podem ser densos e ligados através de DNA.

O objetivo da pesquisa foi determinar as regras que levam a interações específicas entre as partículas de ouro e DNA, e para construir perfis das nanoestruturas resultante. Usando pequeno ângulo de espalhamento de raios-X, a equipe de Mirkin está determinado as características estruturais por 41 cristais diferentes que adotaram um dos nove reticulados. Os pesquisadores descobriram que para cada estrutura, eles poderiam ajustar parâmetros de rede, tais como tamanho e estabilidade de nanopartículas por tamanhos e modificar o comprimento dos conectores DNA. Os métodos utilizados para criar reticulados específicos são condensados ​​em um conjunto de seis regras básicas - que estão descritos em um artigo na Ciência .

Brincando com bolinhas de gude

"Imagine ter um monte de bolinhas de cores diferentes, digamos vermelho, amarelo e verde. Podemos tomar essas minúsculas estruturas e anexar DNA a eles e se os vermelhos para ir a certos lugares, e o amarelo eo verde para ir para certos pontos, com sub-nanômetros de precisão ", diz Mirkin. O pesquisador explica que Northwestern, em teoria, estas regras poderiam ser seguidos para construir qualquer tipo de rede cristalina. O trabalho, dizem os pesquisadores, será mais fácil de fabricar as nanotecnologias, como as células solares com nanopartículas matrizes projetados para colheita de luz com eficiência muito maior do que permitem as tecnologias atuais.

"O aspecto mais inovador da pesquisa é a possibilidade de projetar cristais de nanopartículas à la carte", diz Alex Travesset, um cientista de materiais da Universidade de Iowa em os EUA.Travesset acredita que, a médio prazo, o conjunto de regras poderia ajudar no projeto de novos sensores e sistemas de catálise melhorado.

Oleg Gang, um pesquisador de bio-nanomateriais no Brookhaven National Laboratory, também acredita que essas regras podem ajudar no desenvolvimento de uma ampla gama de aplicações - incluindo energia solar colheita. "No longo prazo, estes materiais serão definitivamente impacto todos os campos da nossa vida, como polímeros fez na segunda metade do século passado", diz ele.

Sobre o autor

James Dacey é um repórter de physicsworld.com

Três elétrons para o preço de um

Pontos quânticos de muitas cores

Pesquisadores criaram um novo material que pode produzir três ou mais elétrons livres cada vez que ela absorve um fóton único. Isso é diferente de semicondutores convencionais, que produzem apenas um elétron livre por fóton. Baseado em estruturas de semicondutores minúsculos chamados pontos quânticos, o novo material - desenvolvido por pesquisadores da Delft University of Technology na Holanda e na Europa Toyota na Bélgica - poderia algum dia ser usada para fazer células solares mais eficientes.

Células solares funcionam absorvendo fótons, cada um dos que liberta um buraco de elétron e com carga positiva que viajam em direções opostas, criando assim uma tensão e corrente que pode fazer o trabalho. No entanto, quando um elétron é liberado, um monte de sua energia cinética é perdida para o semicondutor na forma de calor, em vez de estar disponível como energia elétrica útil.Os investigadores estão, portanto, interessados ​​em desenvolver novos materiais em que alguns ou todos esta energia é captada, em vez de desperdiçada.

Uma maneira de capturar essa energia é a utilização de filmes finos de pontos quânticos em que a energia necessária para liberar um elétron pode ser aperfeiçoá-lo, ajustando o tamanho dos pontos. Um elétron pode, portanto, liberar mais elétrons, uma vez que viaja através de um ponto em um processo conhecido como "multiplicação do portador". Infelizmente, essa abordagem não envolve elétrons verdadeiramente livres e buracos -, mas sim excitons, que estão vinculados pares de elétrons e buracos. Embora excitons pode ser separada em cargas livres através da aplicação de um campo elétrico ou ligar os pontos para outro material semicondutor, ambas as técnicas reduzem a eficiência dos dispositivos.

Agora, Michiel Aerts e colegas fizeram um filme de pontos quânticos em que a multiplicação do portador ocorre com os elétrons livres, ao invés de excitons. Os pontos quânticos são cada cerca de 5 nm de diâmetro e são feitos de seleneto de chumbo compostos de semicondutores. Os próprios filmes são feitos por imersão do substrato de quartzo em uma solução dos pontos.

Estável, mas a realização de

Um desafio para Aerts foi para se certificar de que os elétrons podem se mover facilmente entre os pontos quânticos individuais. Este é normalmente um problema, porque as nanopartículas têm de ser revestidas com uma camada isolante orgânico para impedi-los de degradação, enquanto o filme está sendo feito. Então, o que Aerts e seus colegas fizeram foi trabalhar para fora uma maneira de remover a camada orgânica dos pontos no filme de modo que a condução pode ocorrer.

O processo de multiplicação transportadora inicia-se quando um fóton é absorvido por um ponto quântico, que liberta um elétron e buraco que pode, então, viajar para pontos adjacentes para liberar elétrons e buracos ainda mais. Usando uma técnica chamada tempo resolvido microondas condutividade (TRMC) para medir a condutividade dos filmes, a equipe foi capaz de mostrar que - em média - cerca de três elétrons livres são criados por fóton quando os filmes são iluminados com luz ultravioleta 400 nm. Este comprimento de onda é mesmo à beira do espectro visível e, portanto, abundante em luz solar.

Aerts disse physicsworld.com que a equipe agora quer tentar fazer células solares a partir dos filmes. Em teoria, como células solares poderiam obter eficiências de 44%, em comparação com o limite teórico de 35% sobre as células convencionais de silício. Embora os filmes quantum-dot são relativamente baratos e fáceis de produzir, fazendo com que dispositivos fora deles não é fácil. Além de seleneto de chumbo ser um material tóxico, os pontos quânticos se deteriorar rapidamente quando exposto ao ar.

A pesquisa é descrita na Nano Letters 10.1021/nl202915p .