Gli ingegneri del MIT hanno scoperto un nuovo modo di generare elettricità utilizzando minuscole particelle di carbonio che possono creare una corrente semplicemente interagendo con il liquido che li circonda.

Il liquido, un solvente organico, estrae elettroni dalle particelle, generare una corrente che potrebbe essere utilizzata per guidare reazioni chimiche o per alimentare robot su micro o nanoscala, dicono i ricercatori.

"Questo meccanismo è nuovo, e questo modo di generare energia è completamente nuovo, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professore di Ingegneria Chimica al MIT. "Questa tecnologia è intrigante perché tutto ciò che devi fare è far scorrere un solvente attraverso un letto di queste particelle. Questo ti permette di fare elettrochimica, ma senza fili".

In un nuovo studio che descrive questo fenomeno, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare questa corrente elettrica per guidare una reazione nota come ossidazione dell'alcool, una reazione chimica organica importante nell'industria chimica.

Strano è l'autore senior dell'articolo, che appare oggi in Comunicazioni sulla natura . Gli autori principali dello studio sono lo studente laureato del MIT Albert Tianxiang Liu e l'ex ricercatore del MIT Yuichiro Kunai. Altri autori includono l'ex studente laureato Anton Cottrill, postdoc Amir Kaplan e Hyunah Kim, studente laureato Ge Zhang, e i neolaureati del MIT Rafid Mollah e Yannick Eatmon.

Proprietà uniche

La nuova scoperta è nata dalla ricerca di Strano sui nanotubi di carbonio:tubi cavi costituiti da un reticolo di atomi di carbonio, che hanno proprietà elettriche uniche. Nel 2010, Strano ha dimostrato, per la prima volta, che i nanotubi di carbonio possono generare "onde termoelettriche". Quando un nanotubo di carbonio è rivestito con uno strato di combustibile, commoventi impulsi di calore, o onde termoelettriche, viaggiare lungo il tubo, creando una corrente elettrica.

Quel lavoro ha portato Strano e i suoi studenti a scoprire una caratteristica correlata dei nanotubi di carbonio. Hanno scoperto che quando una parte di un nanotubo è rivestita con un polimero simile al Teflon, crea un'asimmetria che consente agli elettroni di fluire dalla parte rivestita a quella non rivestita del tubo, generando una corrente elettrica. Questi elettroni possono essere estratti immergendo le particelle in un solvente affamato di elettroni.

Per sfruttare questa capacità speciale, i ricercatori hanno creato particelle che generano elettricità macinando nanotubi di carbonio e formandoli in un foglio di materiale simile alla carta. Un lato di ogni foglio è stato rivestito con un polimero simile al Teflon, e i ricercatori hanno quindi tagliato piccole particelle, che può essere di qualsiasi forma o dimensione. Per questo studio, hanno prodotto particelle che erano 250 micron per 250 micron.

Quando queste particelle vengono immerse in un solvente organico come acetonitrile, il solvente aderisce alla superficie non rivestita delle particelle e inizia a estrarre gli elettroni da esse.

"Il solvente toglie gli elettroni, e il sistema cerca di equilibrarsi spostando gli elettroni, "Strano dice. "Non c'è chimica sofisticata della batteria all'interno. È solo una particella e la metti in un solvente e inizia a generare un campo elettrico".

Potenza delle particelle

L'attuale versione delle particelle può generare circa 0,7 volt di elettricità per particella. In questo studio, i ricercatori hanno anche dimostrato che possono formare matrici di centinaia di particelle in una piccola provetta. Questo reattore "a letto pieno" genera energia sufficiente per alimentare una reazione chimica chiamata ossidazione dell'alcol, in cui un alcol viene convertito in aldeide o chetone. Generalmente, questa reazione non viene eseguita utilizzando l'elettrochimica perché richiederebbe troppa corrente esterna.

"Poiché il reattore a letto impaccato è compatto, ha più flessibilità in termini di applicazioni rispetto a un grande reattore elettrochimico, " Zhang dice. "Le particelle possono essere fatte molto piccole, e non richiedono alcun cavo esterno per guidare la reazione elettrochimica."

Nel lavoro futuro, Strano spera di utilizzare questo tipo di generazione di energia per costruire polimeri utilizzando solo l'anidride carbonica come materiale di partenza. In un progetto correlato, ha già creato polimeri in grado di rigenerarsi utilizzando l'anidride carbonica come materiale da costruzione, in un processo alimentato da energia solare. Questo lavoro è ispirato dalla fissazione del carbonio, l'insieme delle reazioni chimiche che le piante usano per costruire zuccheri dall'anidride carbonica, sfruttando l'energia del sole.

A lungo termine, questo approccio potrebbe essere utilizzato anche per alimentare robot su micro o nanoscala. Il laboratorio di Strano ha già iniziato a costruire robot su quella scala, che un giorno potrebbero essere utilizzati come sensori diagnostici o ambientali. L'idea di poter recuperare energia dall'ambiente per alimentare questo tipo di robot è allettante, lui dice.

"Significa che non devi mettere a bordo l'accumulo di energia, " dice. "Ciò che ci piace di questo meccanismo è che puoi prendere l'energia, almeno in parte, dall'ambiente».