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Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Cambridge revela uma descoberta surpreendente que pode transformar o futuro dos dispositivos eletroquímicos. As descobertas oferecem novas oportunidades para o desenvolvimento de materiais avançados e desempenho aprimorado em áreas como armazenamento de energia, computação semelhante ao cérebro e bioeletrônica.
Dispositivos eletroquímicos dependem do movimento de partículas carregadas, tanto íons quanto elétrons, para funcionar adequadamente. No entanto, entender como essas partículas carregadas se movem juntas apresentou um desafio significativo, dificultando o progresso na criação de novos materiais para esses dispositivos.
No campo da bioeletrônica em rápida evolução, materiais condutores macios conhecidos como polímeros conjugados são usados para desenvolver dispositivos médicos que podem ser usados fora das configurações clínicas tradicionais. Por exemplo, esse tipo de material pode ser usado para fabricar sensores vestíveis que monitoram remotamente a saúde dos pacientes ou dispositivos implantáveis que tratam doenças ativamente.
O maior benefício do uso de eletrodos de polímero conjugado para esse tipo de dispositivo é sua capacidade de acoplar perfeitamente íons, responsáveis por sinais elétricos no cérebro e no corpo, com elétrons, os portadores de sinais elétricos em dispositivos eletrônicos. Essa sinergia melhora a conexão entre o cérebro e os dispositivos médicos, traduzindo efetivamente entre esses dois tipos de sinais.
Neste último estudo sobre eletrodos de polímeros conjugados, publicado na Materiais da Natureza, os pesquisadores relatam uma descoberta inesperada. Acredita-se convencionalmente que o movimento dos íons é a parte mais lenta do processo de carregamento porque eles são mais pesados que os elétrons. No entanto, o estudo revelou que em eletrodos de polímero conjugado, o movimento de “buracos” – espaços vazios para os elétrons se moverem – pode ser o fator limitante na rapidez com que o material carrega.
Usando um microscópio especializado, os pesquisadores observaram de perto o processo de carregamento em tempo real e descobriram que, quando o nível de carregamento é baixo, o movimento dos orifícios é ineficiente, fazendo com que o processo de carregamento diminua muito mais do que o previsto. Em outras palavras, e ao contrário do conhecimento padrão, os íons conduzem mais rápido que os elétrons neste material específico.
Essa descoberta inesperada fornece uma visão valiosa sobre os fatores que influenciam a velocidade de carregamento. Curiosamente, a equipe de pesquisa também determinou que, ao manipular a estrutura microscópica do material, é possível regular a rapidez com que os orifícios se movem durante o carregamento. Esse controle recém-descoberto e a capacidade de ajustar a estrutura do material podem permitir que os cientistas criem polímeros conjugados com desempenho aprimorado, permitindo processos de carregamento mais rápidos e eficientes.
“Nossas descobertas desafiam a compreensão convencional do processo de carregamento em dispositivos eletroquímicos”, disse o primeiro autor Scott Keene, do Laboratório Cavendish de Cambridge e da Divisão de Engenharia Elétrica. “O movimento dos buracos, que atuam como espaços vazios para os elétrons se moverem, pode ser surpreendentemente ineficiente durante baixos níveis de carregamento, causando lentidão inesperada”.
As implicações dessas descobertas são abrangentes, oferecendo um caminho promissor para futuras pesquisas e desenvolvimento no campo de dispositivos eletroquímicos para aplicações como bioeletrônica, armazenamento de energia e computação semelhante ao cérebro.
“Este trabalho aborda um problema de longa data na eletrônica orgânica, iluminando as etapas elementares que ocorrem durante a dopagem eletroquímica de polímeros conjugados e destacando o papel da estrutura de banda do polímero”, disse George Malliaras, autor sênior do estudo e Prince Philip Professor de Tecnologia na Divisão de Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia.
“Com uma compreensão mais profunda do processo de carregamento, agora podemos explorar novas possibilidades na criação de dispositivos médicos de ponta que podem se integrar perfeitamente ao corpo humano, tecnologias vestíveis que fornecem monitoramento de saúde em tempo real e novas soluções de armazenamento de energia com maior eficiência”, concluiu o Prof. Akshay Rao, co-autor sênior, também do Laboratório Cavendish de Cambridge.
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