Πρωτοποριακό υλικό εμπνευσμένο από τα φτερά ενός πουλιού για μπαταρίες και φίλτρα νερού

Η μοναδική μικροσκοπική δομή των φτερών ενός είδους μπλε τσίχλας της Βόρειας Αμερικής, ενέπνευσε τη δημιουργία ενός νέου συνθετικού υλικού που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες και φίλτρα νερού. Η εντυπωσιακή λαμπερή μπλε απόχρωση των φτερών του πτηνού οφείλεται σε ένα δίκτυο καναλιών στα πούπουλα του με διάμετρο μόλις μερικών εκατοντάδων νανομέτρων. Εξετάζοντας τις δυνατότητες αυτής της δικτυωτής δομής ως υλικού που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί, μια ομάδα ερευνητών από το ETH της Ζυρίχης προσπάθησε να την αναπαράγει στο εργαστήριο.

Χρησιμοποιώντας διαφανή σιλικόνη ως βασικό υλικό, οι ερευνητές το τοποθέτησαν σε ένα ελαιώδες διάλυμα και το άφησαν να διογκωθεί για αρκετές ημέρες σε φούρνο θερμαινόμενο στους 60 °C. Στη συνέχεια ψύχθηκε για να μειωθεί η διαλυτότητα του υγρού και το ελαστικό εξήχθη από το ελαιώδες διάλυμα. Αναλύοντας το υλικό κάτω από το μικροσκόπιο για να δουν πώς είχε μεταβληθεί η νανοδομή του κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, οι ερευνητές διέκριναν δικτυακές δομές παρόμοιες με αυτές που υπάρχουν στα φτερά του εν λόγω πτηνού. Η μόνη πραγματική διαφορά ήταν το πάχος των καναλιών που σχηματίστηκαν, καθώς στο φτερό είναι περίπου 200 νανόμετρα, ενώ στο συνθετικό υλικό είναι 800.

Το κλειδί για το σχηματισμό της καινοτόμου δικτυωτής δομής στο υλικό είναι ο διαχωρισμός φάσεων. Μπορεί να έχετε συναντήσει το φαινόμενο στην κουζίνα όταν προσπαθείτε να αναμείξετε λάδι και ξύδι για να δημιουργήσετε ένα ντρέσινγκ σαλάτας. Τα υγρά αναμιγνύονται όταν ανακινούνται, αλλά διαχωρίζονται όταν η ανακίνηση σταματά. Ωστόσο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια εναλλακτική μέθοδος για την ανάμειξη του λαδιού και του ξιδιού: θέρμανση και στη συνέχεια ψύξη. Είναι η αρχή που εφάρμοσαν εδώ οι ερευνητές και η διακοπή της διαδικασίας είναι αυτή που δημιουργεί τα κανάλια που ζητούνται.

Όπως δήλωσε η Carla Fernández-Rico, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης,

Είμαστε σε θέση να ελέγχουμε και να επιλέγουμε τις συνθήκες με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζονται κανάλια κατά τον διαχωρισμό φάσεων. Καταφέραμε να σταματήσουμε τη διαδικασία προτού οι δύο φάσεις συγχωνευθούν ξανά πλήρως μεταξύ τους.

Πρακτικά, οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι το υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες και φίλτρα νερού. Για τα φίλτρα νερού, ο λόγος της επιφάνειας προς τον όγκο είναι τεράστιος όταν χρησιμοποιούνται δομές που μοιάζουν με κανάλια, γεγονός που καθιστά αποτελεσματικότερη την απομάκρυνση των ρύπων. Εάν η επιφάνεια δεν είναι επαρκής, τα στερεά θα προσκρούουν στο μέσο με υψηλή ταχύτητα, προκαλώντας πρόωρη υποβάθμιση της επιφανειακής μεμβράνης του φίλτρου ή του υποκείμενου μέσου υποστρώματος. Μια ανεπαρκής επιφάνεια φίλτρου θα αυξήσει επίσης την πτώση πίεσης μέσω του συστήματος και θα οδηγήσει σε υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας.

Ο ηλεκτρολύτης της μπαταρίας είναι ένα υγρό ή παστώδες διάλυμα στο εσωτερικό των μπαταριών και μεταφέρει θετικά φορτισμένα ιόντα μεταξύ των ακροδεκτών της καθόδου και της ανόδου. Ένας από τους λόγους για τους οποίους οι μπαταρίες χάνουν με την πάροδο του χρόνου την ικανότητα φόρτισης - ή παρουσιάζουν βλάβη - είναι επειδή τα ιόντα αντιδρούν με τον ηλεκτρολύτη, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόδια να δημιουργούν φυσική επαφή και να καταστρέφουν τη μπαταρία. Ένας στερεός ηλεκτρολύτης από το υλικό που αναπτύχθηκε εδώ θα απέφευγε τη φυσική επαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων, διατηρώντας παράλληλα την καλή μεταφορά ιόντων μέσω της μπαταρίας.

Παρόλα αυτά, το προϊόν απέχει ακόμη πολύ από το να είναι έτοιμο για την αγορά. Ενώ το ελαστικό υλικό είναι φθηνό και εύκολο να επιτευχθεί, η ελαιώδης φάση είναι αρκετά ακριβή. Εδώ θα χρειαζόταν ένα λιγότερο ακριβό ζεύγος υλικών. Πολλά φυσικά πολυμερή, όπως η κυτταρίνη ή η χιτίνη, έχουν δομή παρόμοια με το ελαστικό που χρησιμοποιούμε στην εργασία μας.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν πλεόν να βελτιώσουν το υλικό, εστιάζοντας στη βιωσιμότητα του.

[via]