Fotossíntese artificial: avanço na geração de hidrogênio por energia solar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/05/2011

Células fotoeletroquímicas

Da mesma forma que as plantas usam a fotossíntese para transformar a luz solar em energia, as células solares fotoeletroquímicas usam a luz solar para induzir reações químicas que, em última análise geram hidrogênio a partir da água.

Ainda em estágio inicial de desenvolvimento, essa tecnologia é promissora porque permite uma geração de energia absolutamente limpa: a energia solar é usada para produzir o hidrogênio, que por sua vez pode ser consumido em células a combustível, cujo único subproduto é a água, para gerar eletricidade.

Também conhecidas comocélulas de Gratzel, as células fotoeletroquímicas usam um material semicondutor sensível à luz, como o óxido de cobre, para fornecer a corrente necessária para alimentar a reação.

Embora seja barato e largamente disponível, o óxido de cobre é instável quando exposto à luz na água.

Revestimento salvador

Adriana Paracchino e Elias Thimsen, membros da equipe do Dr. Michael Gratzel, idealizador da tecnologia, descobriram que o problema da instabilidade do cobre pode ser resolvido revestindo os semicondutores com uma fina película com poucos átomos de espessura.

Esse revestimento pode ser criado usando uma técnica, já usada industrialmente, chamada como deposição de camadas atômicas (ALD: Atomic Layer Deposition). A precisão dessa técnica é tamanha que a espessura da camada pode ser controlada com precisão de um átomo.

Com isto, o óxido cuproso é protegido de forma muito eficaz contra o contato com a água, tornando possível usá-lo como o semicondutor da célula fotoeletroquímica.

Deficiência

As vantagens dessa ação salvadora são muitas: o óxido de cobre é abundante e barato, a camada de proteção é completamente impermeável, independentemente da rugosidade da superfície, e o processo pode ser facilmente expandido para escala industrial.

O revestimento é formado por duas camadas superpostas, uma de óxido de zinco e outra de óxido de titânio, que mantêm a eficiência da célula na produção de hidrogênio - no atual estágio, essa "eficiência" ainda é bastante baixa.

O próximo passo da pesquisa será otimizar as propriedades elétricas da camada protetora, na tentativa de aumentar a eficiência geral da célula.

Bibliografia:

Highly active oxide photocathode for photoelectrochemical water reduction
Adriana Paracchino, Vincent Laporte, Kevin Sivula, Michael Grätzel, Elijah Thimsen
Nature Materials
08 May 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3017

A nova célula fotoeletroquímica, mais durável, produz hidrogênio da partir da luz do Sol - o hidrogênio é visto na forma de bolhas que sobem pelo reservatório de água. [Imagem: Paracchino et al./Nature Materials]

Simulação reforça teoria abiogênica do petróleo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/05/2011

Determinar as propriedades termoquímicas das moléculas de hidrocarbonos é importante para entender a formação dos reservatórios de petróleo e gás natural e o fluxo de carbono na Terra.[Imagem: Eric Schwegler/LLNL]

Petróleo abiogênico

A teoria que tenta explicar a gênese do petróleo, do carvão e do gás natural é tão aceita que esses derivados do carbono se tornaram sinônimos de "combustíveis fósseis."

Os combustíveis são reais, e estão na base da economia do mundo moderno. Mas o termo "fóssil" vem da teoria.

Uma teoria que propõe que organismos vivos morreram, foram soterrados, comprimidos e aquecidos sob pesadas camadas de sedimentos na crosta terrestre, onde sofreram transformações químicas, até originar o petróleo e seus primos.

Há tempo, geólogos vêm contestando essa teoria e propondo uma origem abiótica para o petróleo, ou seja, uma teoria que propõe que o petróleo não é fóssil.

• Petróleo e gás natural podem não ser fósseis

Agora, esses defensores da teoria abiótica ganharam mais um argumento.

Hidrocarbonos de origem geológica

Giulia Galli e seus colegas da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, demonstraram que as longas cadeias de hidrocarbonos podem se formar no interior da Terra a partir do hidrocarbono mais simples possível - a molécula de metano.

As moléculas de hidrocarbono são o bloco fundamental que forma o petróleo e o gás natural.

Giulia defende que os hidrocarbonos abiogênicos, de origem puramente geológica, podem se formar nas condições adequadas de temperatura e pressão encontradas no manto superior da Terra.

"Nossas simulações mostram que as moléculas de metano podem se combinar para formar moléculas de grandes hidrocarbonos quando expostas às pressões e temperaturas muito altas do manto superior da Terra," diz ela.

Diversos estudos práticos, usando bigornas de diamante e explosivos, têm proposto condições de temperatura e pressão nas quais o petróleo pode se formar sem a participação de fósseis. [Imagem: Spanu et al./Pnas]

Onde nascem os hidrocarbonos complexos

Os pesquisadores usaram técnicas sofisticadas, baseadas em primeiros princípios - as propriedades fundamentais dos átomos de carbono e hidrogênio - para simular o comportamento desses átomos sob as pressões e temperaturas encontradas entre 65 e 150 quilômetros de profundidade.

O estudo mostrou que hidrocarbonos com múltiplos átomos de carbono podem se formar a partir do metano, uma molécula com apenas um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio.

Isso pode ocorrer em temperaturas maiores do que 1.500 K e pressões a partir de 50.000 vezes a pressão atmosférica - essas condições são encontradas a partir de 110 quilômetros de profundidade.

"Na simulação, interações com superfícies de carbono e metal permitiram que o processo ocorra com maior velocidade; elas funcionam como catalisadores," afirma Leonardo Spanu, coautor do estudo.

Teorias

O estudo não conclui que o petróleo e o gás natural se formam nesse ponto, uma vez que as condições reais dessas regiões não estão acessíveis à observação direta e, portanto, não são totalmente conhecidas.

O estudo demonstra que as condições do manto superior são adequadas para que as moléculas de metano formem hidrocarbonos longos.

Outro detalhe a ser analisado pelos defensores da teoria do petróleo abiótico seria explicar o mecanismo que faz com que esses hidrocarbonos migrem para mais perto da superfície, onde são encontrados os depósitos de petróleo e gás natural.

Por outro lado, dados coletados em poços de petróleo exauridos na Arábia Saudita são condizentes com uma hipótese de que esses poços estão novamente se enchendo de baixo para cima.

A pesquisa foi financiada pela Shell.

Bibliografia:

Stability of hydrocarbons at deep Earth pressures and temperatures
Leonardo Spanu, Davide Donadio, Detlef Hohl, Eric Schwegler, Giulia Galli
Proceedings of the National Academy of Sciences
April 26, 2011
Vol.: 108 (17) 6843-6846
DOI: 10.1073/pnas.1014804108

Mariposa inspira nanotecnologia para estudar Mal de Alzheimer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/05/2011

O revestimento dos nanotúneis existentes na antena da mariposa da seda serviu de inspiração para a criação de nanoporos sintéticos que funcionam como minúsculos instrumentos de medição.[Imagem: Chris Burke]

Imitando a estrutura das antenas da mariposa da seda, pesquisadores desenvolveram um nanoporo que irá ajudar a lidar com uma classe de doenças neurodegenerativas que inclui o Mal de Alzheimer.

Nanoporos

A minúscula ferramenta em forma de túnel - tecnicamente chamada de nanoporo - foi desenvolvida por uma equipe coordenada por cientistas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

Os nanoporos são essencialmente furos muito pequenos e muito precisos, feitos em uma pastilha de silício. Eles funcionam como minúsculos dispositivos de medição, que permitem o estudo de moléculas individuais e proteínas conforme estas passam através deles.

Mesmos os melhores nanoporos construídos hoje entopem facilmente, o que tem impedido que a tecnologia cumpra todo o seu potencial - os cientistas esperam que os nanoporos permitam a construção de uma nova geração de equipamentos de sequenciamento de DNA mais rápidos e mais baratos, apenas para citar um exemplo.

Biomimetismo

A equipe foi buscar na natureza a inspiração para resolver essas limitações.

A solução veio na forma de uma cobertura oleosa que reveste o nanoporo. O revestimento captura e conduz a molécula de interesse suavemente através do nanoporo, sem causar entupimento.

O revestimento também permite que os pesquisadores ajustem a espessura do nanoporo com uma precisão próxima ao nível atômico.

"Isso nos dá uma ferramenta muito melhor para a caracterização das biomoléculas," disse Michael Mayer, coautor do estudo.

"O nanoporo nos permite obter dados sobre o seu tamanho, carga, forma, concentração e a velocidade com que se montam. Isto poderá nos ajudar a entender, e possivelmente diagnosticar, o que sai errado em uma categoria de doenças neurodegenerativas que inclui Parkinson, Huntington e Alzheimer," explica o cientista.

O revestimento oleoso melhora a funcionalidade dos nanoporos, que se transformam em dispositivos de medição muito sensíveis, capazes de avaliar moléculas individuais. [Imagem: Chris Burke]

Antenas da mariposa da seda

A "bicamada lipídica fluida" foi inspirada em um revestimento que recobre as antenas da mariposa da seda do sexo masculino, que ajuda o animal a detectar o cheiro das mariposas fêmeas que se encontram nas proximidades.

O revestimento captura as moléculas de feromônio no ar e as transporta através de nanocanais no exoesqueleto até as células nervosas, que enviam uma mensagem ao cérebro do inseto.

"Estes feromônios são lipofílicos. Eles tendem a se ligar a lipídios, materiais semelhantes à gordura. Assim, eles ficam presos e se concentram na superfície desta camada lipídica da mariposa da seda. A camada lubrifica o movimento dos feromônios para que eles cheguem onde são necessários. Nosso novo revestimento tem a mesma finalidade," explica Mayer.

Peptídeos beta-amiloide

Uma das principais linhas de pesquisa do grupo é o estudo de proteínas chamadas peptídeos beta-amiloide, que os cientistas acreditam se coagule em fibras que afetam o cérebro no Mal de Alzheimer.

Eles estão interessados em estudar o tamanho e a forma destas fibras, e como exatamente elas se formam.

Para usar os nanoporos em experimentos, os pesquisadores colocam a pastilha perfurada entre duas câmaras de água salgada, uma das quais contém as moléculas a serem estudadas. A seguir, uma corrente elétrica é aplicada entre as câmaras, criando um movimento iônico que força as moléculas a passarem através dos nanoporos.

Conforme a molécula ou proteína atravessa o nanoporo, ela altera a resistência elétrica do poro. A mudança observada dá aos pesquisadores informações valiosas sobre o tamanho da molécula, sua carga elétrica e sua forma.

Bibliografia:

Controlling protein translocation through nanopores with bio-inspired fluid walls
Erik C. Yusko, Jay M. Johnson, Sheereen Majd, Panchika Prangkio, Ryan C. Rollings, Jiali Li, Jerry Yang, Michael Mayer
Nature Nanotechnology
Vol.: 6, Pages: 253-260 (2011)
DOI: 10.1038/nnano.2011.12