Immagina un mondo in cui telefoni cellulari e laptop possono essere ricaricati in pochi minuti anziché ore, arrotolato e riposto in tasca, o caduto senza subire alcun danno. È possibile, secondo il professor Thomas H. Epps dell'Università del Delaware, III, ma i materiali non ci sono ancora.

Così, cosa frena la tecnologia?

Per i principianti, ci vorrebbe più conduttivo, batterie flessibili e più leggere, disse Epps, che è il professore Thomas e Kipp Gutshall di ingegneria chimica e biomolecolare e professore nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UD.

Le batterie dovrebbero essere più resistenti agli urti e più sicure, pure. A maggio, una sigaretta elettronica è esplosa in Florida e ha ucciso un uomo. Secondo quanto riferito, le prove suggeriscono che questo sfortunato incidente potrebbe essere dovuto a problemi relativi alla batteria, secondo la Food and Drug Administration degli Stati Uniti. Problemi simili hanno afflitto dispositivi come il Samsung Galaxy Note 7 e le unità di alimentazione ausiliarie del Boeing Dreamliner.

"Tutte queste sfide provengono da batterie che hanno problemi di sicurezza e stabilità quando l'obiettivo è quello di spingere le prestazioni, " disse Epps, un esperto nella progettazione e fabbricazione di membrane conduttrici utili nella generazione di energia e dispositivi di accumulo.

Un modo per superare questa sfida nelle batterie agli ioni di litio per i dispositivi di cui sopra è migliorare le membrane della batteria e gli elettroliti associati, progettati per trasportare gli ioni di litio, che compensano la carica elettrica associata alla carica e alla scarica della batteria.

All'UD, Il team di Epps ha brevettato un'idea per migliorare le prestazioni della batteria introducendo conicità negli elettroliti della membrana polimerica che consentono agli ioni di litio all'interno della batteria di viaggiare avanti e indietro più velocemente.

È una grande idea che inizia con piccole parti.

Piccola scienza, grande impatto

Tutto inizia con i polimeri, che sono materiali fatti di piccole molecole infilate insieme come perline su una collana per creare una lunga catena. Collegando chimicamente due o più catene polimeriche con proprietà diverse, gli ingegneri possono creare polimeri a blocchi che sfruttano le caratteristiche salienti di entrambi i materiali. Per esempio, il polistirolo in una tazza di polistirolo è relativamente duro e fragile, mentre il poliisoprene (estratto da un albero della gomma) è viscoso e simile alla melassa. Quando questi due polimeri sono legati chimicamente, gli ingegneri possono creare materiali per oggetti di uso quotidiano come pneumatici per auto ed elastici, materiali che mantengono la loro forma ma sono resistenti agli urti ed estensibili.

Epps è stato introdotto per bloccare i polimeri come studente universitario presso il Massachusetts Institute of Technology mentre lavorava nel laboratorio della professoressa Paula Hammond, e ancora quando ha lavorato presso la Goodyear Tire &Rubber Company sotto Adel Halasa come parte di una borsa di studio GEM. Goodyear stava esplorando l'uso di polimeri multicomponenti simili a conicità per creare pneumatici con maggiore elasticità, pneumatici che aderiscono meglio alla strada senza sacrificare le prestazioni o la durata.

Anni dopo, in lavoro presso UD, Il gruppo di Epps ha portato l'idea un ulteriore passo avanti e si è reso conto di poter mettere a punto la nanoscala (1/1, 000° della larghezza di un capello umano) struttura di questi polimeri per impregnare i materiali di determinate caratteristiche meccaniche, proprietà termiche e di conducibilità.

Uno dei vantaggi dei polimeri a blocchi è che consentono agli scienziati di combinare due o più componenti che spesso sono chimicamente incompatibili, il che significa che non si mescolano (pensa all'olio e all'acqua). Questo stesso vantaggio, però, possono presentare sfide sul modo in cui i materiali possono essere lavorati. Il gruppo Epps ha stabilito che la rastremazione della regione in cui si collegano le due distinte catene polimeriche può favorire la miscelazione tra materiali altamente incompatibili in un modo che rende la lavorazione e la fabbricazione più veloci ed economiche richiedendo meno energia o meno solvente nel processo di produzione.

La manipolazione del cono ha anche permesso ai ricercatori di controllare le strutture su scala nanometrica che possono essere formate dai polimeri a blocchi. Incorporando i taper, Il team di Epps può creare reti su scala nanometrica che rendono i materiali della batteria più conduttivi, introducendo autostrade su scala nanometrica ed eliminando i colli di bottiglia del traffico, consentendo agli ioni di muoversi a velocità più elevate e rendendo il polimero più efficiente nelle applicazioni a batteria.

"Tecnicamente, vogliamo condurre gli ioni più velocemente... questo approccio nei polimeri ci permetterebbe di ottenere più potenza dalle batterie. Permetterebbe alle batterie di caricarsi più velocemente, in modo anche più sicuro. non ci siamo ancora, ma questo è l'obiettivo, " disse Epps, che ha brevettato il concetto attraverso l'Office of Economic Innovation and Partnerships di UD.

Definisce questo lavoro un "approccio progettuale" alla scienza dei polimeri.

Priyanka Ketkar, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare, vuole fare la differenza nel mondo attraverso la ricerca. Ketkar ha descritto il gruppo di ricerca Epps come una buona scelta, dove sta esercitando i suoi muscoli mentali su problemi consequenziali legati all'accumulo di energia.

Negli esperimenti di laboratorio, Ketkar e altri del gruppo Epps hanno dimostrato che l'introduzione di una regione rastremata tra le catene di elettroliti polimerici ha effettivamente aumentato la conduttività ionica complessiva in un intervallo di temperature. A temperatura ambiente, Per esempio, i materiali rastremati sono due volte più conduttivi rispetto ai loro omologhi non rastremati. Ma non è tutto. La conicità migliora la capacità di lavorazione del materiale, pure.

"I metodi precedenti per aumentare la conduttività hanno reso il polimero più difficile da lavorare o hanno utilizzato maggiori quantità di solvente chimico, che rende il materiale più infiammabile e meno rispettoso dell'ambiente, " Ketkar ha detto. "Ecco perché sono davvero entusiasta di questo nuovo approccio".

I polimeri di design sono utili per le batterie agli ioni di litio, ma applicabile anche ad altri sistemi ricaricabili, come le batterie agli ioni di sodio e di potassio, ha detto Epps. Altre applicazioni includono l'utilizzo di polimeri conici per realizzare materiali che possono essere prodotti a temperature più basse o con meno solventi per applicazioni come pneumatici, elastici e adesivi.

Le applicazioni future includono batterie flessibili

Mentre la tecnologia avanza, Epps prevede che i prossimi 5-10 anni introdurranno una pletora di dispositivi in ​​grado di flettersi e rotolare, come telefoni cellulari e computer.

"L'unico modo in cui funziona è se tutti i componenti sono flessibili, compresa la batteria e gli alimentatori, non solo il caso, schermo o pulsanti, " Ha detto Epps. "Questo aspetto è il punto in cui i polimeri a blocchi diventano davvero ideali perché, come un elastico che ricorda la sua forma nonostante l'allungamento, piegatura e altre manipolazioni, con polimeri, puoi rendere i componenti interni più resistenti agli urti e ammortizzanti, che migliorerà la durata del telefono."

Ci possono essere altre applicazioni per i polimeri di design, pure.

"E se ci fosse un sensore all'interno del pallone progettato per avvisare gli arbitri quando un giocatore supera una distanza specifica, diciamo per un primo down, " Epps ha detto. "Non avresti bisogno di fare affidamento sulla visione del gioco sul campo di un ufficiale o sul replay istantaneo".

Ma, i palloni vengono lanciati in giro e i giocatori che li tengono vengono spesso colpiti.

"Avresti bisogno di qualcosa che non si romperà o colerà, quindi usando un polimero che ha le proprietà materiali di dire, un elastico, che può anche condurre ioni come una batteria sarebbe una soluzione perfetta, " Ha detto Epps. "Questo viale è una direzione in cui potresti immaginare che questi materiali sboccino".

Epps è stato recentemente nominato membro della Royal Society of Chemistry, con sede nel Regno Unito. Per ricevere questo onore, gli scienziati devono aver avuto un impatto nelle scienze chimiche.