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Um avanço na estratégia de síntese permite a formulação fácil de membranas inorgânicas que não são apenas energeticamente eficientes, mas também altamente personalizáveis, revolucionando potencialmente a maneira como muitas indústrias operam para maior sustentabilidade.
As membranas inorgânicas podem ser consideradas como peneiras de cozinha. Semelhante a como as peneiras separam as partículas menores das maiores, as membranas inorgânicas, normalmente feitas de cerâmica ou metais, separam seletivamente as moléculas com base em seu tamanho e propriedades.
Em uma conquista inovadora, uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Design e Engenharia (CDE) da Universidade Nacional de Cingapura, liderada pelo professor Ho Ghim Wei, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, desenvolveu uma técnica revolucionária para produzir membranas inorgânicas ultrafinas. Essas membranas autônomas podem funcionar sem qualquer substrato de suporte – um avanço significativo na tecnologia de membranas.
Altamente personalizáveis e simples de produzir, as membranas inorgânicas — sustentadas por uma estratégia de síntese fácil e universal — têm o potencial de beneficiar aplicações além da filtração e separação. Da conversão de energia à catálise e detecção, a versatilidade das membranas pode transformar vários setores e indústrias que dependem da tecnologia de membranas. Ao promover a eficiência e a sustentabilidade nos processos industriais, a pesquisa pioneira dos cientistas do NUS revelou novas possibilidades para superar os desafios energéticos diante das mudanças climáticas.
Membranas reinventadas
As tecnologias convencionais de membrana usadas em processos de purificação e separação são conhecidas por serem intensivas em energia e, portanto, caras, geralmente envolvendo uma combinação de pressão, calor e, às vezes, produtos químicos para funcionar de maneira eficaz. Além disso, as membranas devem ser regeneradas, enquanto os componentes filtrados geralmente requerem tratamento adicional após a separação, levando a demandas e custos adicionais de energia.
Tais limitações das tecnologias de membrana tradicionais serviram de impulso para o pesquisador de pós-doutorado Dr. Zhang Chen, da equipe do Prof Ho, desenvolver uma nova estratégia de síntese para membranas inorgânicas altamente eficientes. O método do Dr. Zhang envolve domar blocos de construção inorgânicos caóticos e flutuantes em um ambiente líquido, persuadindo-os a se automontar na membrana desejada. Este processo ajustável fornece um meio eficaz de adaptar a espessura da membrana e as características dos poros para aplicações específicas, alcançando a máxima eficiência energética.
“Nosso estudo também nos permitiu adotar uma nova abordagem para repensar como as membranas inorgânicas são tradicionalmente desenvolvidas”, acrescentou o Dr. Zhang.
Os cientistas do NUS apresentaram um modelo de síntese que outros pesquisadores podem utilizar em seus trabalhos, o que pode estimular a descoberta de mais novas membranas com uma faixa de composição mais ampla de maneira escalável e econômica.
Do ponto de vista estrutural, as membranas produzidas por eles têm mais diversidade geométrica do que as convencionais, proporcionando mais flexibilidade e opções na hora de projetar estruturas de membrana.
Além disso, o estudo também explora a funcionalidade da membrana, onde barreiras 2D altamente seletivas são usadas para controlar o fluxo de energia através da membrana. Esse recurso pode influenciar o funcionamento da membrana – permitindo que os íons sejam filtrados com base em sua carga, diferentes formas de energia, como térmica, elétrica ou luz, a serem aproveitadas ou moléculas específicas a serem concentradas seletivamente. Essa flexibilidade é altamente desejável em várias aplicações relacionadas à energia, incluindo células de combustível e conversão de energia solar.
“Nossa nova técnica tem o potencial de transformar indústrias que dependem fortemente de membranas para sua operação, principalmente aquelas relacionadas à energia ou ao meio ambiente”, disse o professor Ho. “A capacidade de criar membranas inorgânicas autônomas que são altamente seletivas abre inúmeras possibilidades interessantes para aplicações em separação dinâmica espacial avançada, catálise, sensores, memórias e condutores iônicos, todos os quais representam desenvolvimentos sem precedentes.”
As descobertas da equipe foram publicadas na revista científica Natureza em 29 de março de 2023.
Formulando um futuro mais verde
Com ênfase na eficiência e personalização, a inovação dos pesquisadores desempenha um papel fundamental nas iniciativas de sustentabilidade da NUS, reduzindo significativamente o consumo de energia de processos relacionados a membranas em todo o mundo e reduzindo a pegada de carbono de várias indústrias como resultado.
Impulsionado pelo potencial da descoberta, o Prof Ho planeja liderar uma equipe interdisciplinar de cientistas em um programa de pesquisa multifacetado para levar a tecnologia de membranas ao próximo nível. “Ao explorar a vasta gama de composições de membranas e acoplá-las a várias formas de energia, esperamos desbloquear novas aplicações e dar mais passos em direção a um futuro mais sustentável”, compartilhou o Prof Ho.
A equipe também está procurando desenvolver ferramentas de fabricação automatizadas para agilizar o processo de produção de membranas inorgânicas, tornando sua tecnologia mais acessível em uma escala maior.
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