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Usuários na BESSY II: NAFION, a talentosa membrana para células a combustível e impressão 4D (HZB Blog Science)

Materiais de ionômero termoplásticos como Nafion têm muitos talentos: podem ser usados ​​como membranas para troca de prótons em células de combustível, mas também atraíram a atenção como materiais de memória de forma: através de estímulos externos como calor ou um campo elétrico, é possível desencadeie uma mudança nas formas. Aplicações em têxteis, biomedicina, aeroespacial, sensores e revestimentos são possíveis.

Fonte: HBZ Blog Science (leia artigo no original)


Nafion: uma membrana com memória de forma

Nafion é um desses materiais: como uma membrana em uma célula de combustível, sua alta condutividade de prótons permite uma passagem rápida de íons de hidrogênio (prótons).E sua forma interna desempenha um papel crucial.Agora, uma equipe do Brasil analisou no BESSY II quais processos ocorrem durante a transição de fase relevante de uma forma para outra.Isso pode até levar a materiais de impressão, que podem mudar de forma com o tempo, a chamada impressão 4D.

Topologia de Nafion revelando a estrutura da forma interna medida por microscopia de força atômica.

Via Email, me correspondi com o usuário BESSY-II Dr. Bruno Ribeiro de Matos, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN, São Paulo, Brasil.Ele fez muita pesquisa sobre Nafion e seu comportamento no BESSY II.Seus resultados são publicados em relatórios científicos, o periódico de acesso aberto da Nature.Aqui você pode ler a entrevista:


Dr. Ribeiro de Matos, em que tipo de materiais você está trabalhando e por quê?

Bruno Ribeiro de Matos: Trabalhamos com polímeros que contêm íons, chamados polímeros ionoméricos.Várias empresas e grupos de pesquisa em todo o mundo desenvolveram polímeros contendo íons para diversas aplicações.Entre eles, células de combustível de eletrólito de polímero e impressão 4D, o que significa: Impressão de materiais que são capazes de mudar sua forma por um estímulo externo, como a temperatura.

O que você queria descobrir?
Bruno Ribeiro de Matos:
Alguns ionômeros da família dos ionômeros de perfluorossulfonato (PIMs) exibem a mais alta condutividade conhecida entre os condutores sólidos de prótons. Mas ainda não entendemos por que essa alta condutividade é possível - quais são os mecanismos subjacentes, que permitem que esses íons pulem na matriz polimérica.Essa compreensão mais profunda poderia nos permitir projetar novos ionômeros de alto desempenho. 

Como você conseguiu obter mais informações sobre esses materais?
Bruno Ribeiro de Matos: Nosso grupo no IPEN está trabalhando em conjunto com pesquisadores do HZB, Dr. Lili Puskar e Dr. Ulrich Schade no BESSY II. Usamos dois métodos diferentes  e combinamos os dados. Um deles é a espectroscopia de infravermelho distante (FIR), o outro método é a espectroscopia dielétrica de banda larga (BDS). Ambos fornecem informações sobre o ion-hopping entre diferentes escalas de comprimento da matriz de ionômetro. Nós estudamos nossas amostras em uma ampla gama de frequencias, de frequencias muito altas (~ 1012 - 1013Hz) para o infravermelho distante (FIR) em que os movimentos vibracionais de íons ocorrem, e dentro da faixa de baixa frequência ( ~ 10-2 - 107Hz - BDS) que reflete interações entre os movimentais de íons e a dinâmica da rede de polímeros.

O que você esperava aprender com o experimento?
Bruno Ribeiro de Matos: Anteriormente, foi demonstrado que algumas propriedades intrigantes dos ionômeros estavam profundamente ligadas à chamada transição-a. Por exemplo, uma "memória de forma". A origem da transição-a , no entanto é obscurecida, uma vez que muitos processpos interdependentes ocorrem. Com o nosso experimento em BESSY II, encontramos uma conexão entre a forma dos blocos de construção do ionômero, a dinâmica da rede iônica e as propriedades mecânicas e de condução. Acreditamos que esta é uma regra prática para a seleção e desenvolvimento de materiais de ionômero de alto desempenho.

 Ao aquecer acima de 120 ° C, as hastes de Nafion-polímero se contraem e as ligações cruzadas iônicas são trocadas.Após aquecimento adicional> 140 ° C, as hastes tornam-se uma espécie de bobinas desarrumadas.Isso é reversível.

Quais resultados são realmente novos?

Bruno Ribeiro de Matos: As medições FIR e BDS foram realizadas em condições não exploradas anteriormente. Houve uma correspondência muito boa entre as medições FIR e BDS, em que a primeira indicou o comportamento térmico das interações eletrostáticas entre grupos iônicos agregados, e a última mostrou que a forma de tais agregados iônicos transita de uma forma semelhante a haste para uma conformação espiralada. Isso acontece em uma condição crítica especificada pela dinâmica relativa de troca de íons e polarização de carga. Então, nós entendemos agora que a condutividade do próton não depende apenas da morfologia, mas de uma relação entre o tempo de relaxamento para polarização de carga das cadeias de ionômero e o tempo de relaxamento para o íon-hopping.

 Quais são as possíveis novas aplicações?

Bruno Ribeiro de Matos: Esses materiais ionoméricos "falam” diretamente com a comunidade de células de combustível. No entanto, nossos resultados também são de grande interesse para outros tópicos de pesquisa, como design muscular artificial, eletrocatalisadores, mas também para impressão 3D e 4D. Esses materiais foram apontados como materiais de alto desempenho para impressão 3D. Tais ionómeros possuem uma propriedade interessante não encontrada em polímeros convencionais;eles têm a capacidade de memorizar diferentes formas que mudam com o tempo quando o estímulo apropriado é aplicado, como calor, umidade e potencial elétrico. Essa assim chamada propriedade de memória de forma adiciona outra dimensão ao produto final: tempo (impressão 4D). Pode ser usado, por exemplo, como um material de embalagem de alimentos que é capaz de encolher quando é permitido aquecer quando removido da prateleira refrigerada do supermercado, protegendo assim os alimentos. 

 E quais são os próximos passos?

Bruno Ribeiro de Matos: Realizamos todas as caracterizações das amostras no estado seco, pois a presença de água aumenta a complexidade na compreensão dos dados. Agora podemos avançar e realizar nossos experimentos para amostras na forma hidratada e com diferentes graus de conteúdo iônico. A investigação dos ionômeros no estado úmido é um passo preliminar para a compreensão do papel de um solvente na dinâmica dos relaxamentos e na forma dos blocos de ionômero. Este desenvolvimento é considerado um passo fundamental para o avanço de ambas as células de combustível de eletrólito de polímero e tecnologias de impressão 4D.

Obrigado e vejo você novamente no BESSY II!

 Os resultados são publicados em relatórios científicos (2018), o periódico natureza acesso aberto.

Interação da dinâmica de relaxamento de α / β e da forma dos blocos de construção dos ionómeros.

Bruno R. Matos, Rodolfo Politano, José Fernando Q. Rey, Daniel Hermida-Merino, Ulrich Schade, Ljiljana Puskar e Fabio C. Fonseca

Jaqueline da Souza (hoje estudante de doutorado no IPEN) foi aluna de verão na HZB em 2017. Em sua curtapostagem,ela descreve seu projeto de verão na HZB na Nafion.


 



 

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