Σύνοψη
Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Northwestern ανέπτυξαν ένα υγρό που λειτουργεί ως οργανική μπαταρία. Το υπερμοριακό υλικό (ANI-MV) μετατρέπεται από κίτρινο υγρό σε αγώγιμο μαύρο τζελ όταν απορροφά ενέργεια (π.χ. από ηλιακό φως ή ηλεκτρισμό). Αποθηκεύει ενέργεια για μήνες και επανέρχεται στην αρχική του μορφή απλώς με την έκθεση σε οξυγόνο. Λειτουργεί αποκλειστικά σε νερό, χωρίς μέταλλα και πλαστικά, προσφέροντας μια καθαρή εναλλακτική για αποθήκευση ενέργειας. Η ενεργειακή του πυκνότητα είναι αξιοσημείωτη, καθώς μόλις ένα γραμμάριο του υλικού αρκεί για τη φόρτιση ενός smartwatch.
Η παραδοσιακή προσέγγιση στη διαχείριση της ενέργειας απαιτεί τρία διαφορετικά στάδια, τα οποία συνήθως εξυπηρετούνται από ξεχωριστές διατάξεις: τη συλλογή, την αποθήκευση και τη χρήση. Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Northwestern παρουσίασε μια καινοτόμο πλατφόρμα που ενσωματώνει και τις τρεις αυτές λειτουργίες σε ένα μοναδικό υλικό. Η συγκεκριμένη προσέγγιση καταργεί την ανάγκη για συμβατικά, ρυπογόνα εξαρτήματα, προσφέροντας μια λύση που στηρίζεται αποκλειστικά στις αρχές της υπερμοριακής χημείας.
Το νέο υλικό ANI-MV είναι ένα υπερμοριακό σύστημα που λειτουργεί ως οργανική μπαταρία. Απορροφώντας ενέργεια από το φως, τον ηλεκτρισμό ή τις ακτίνες Χ, μετατρέπεται από κίτρινο υγρό σε αγώγιμο μαύρο τζελ, αποθηκεύοντας ηλεκτρόνια για μήνες. Η επαναφορά του στην αρχική υγρή κατάσταση και η απελευθέρωση της ενέργειας πραγματοποιείται απλώς με την έκθεση στο οξυγόνο.
Η έμπνευση για το ANI-MV προέρχεται απευθείας από τη βιολογία, και συγκεκριμένα από τον κυτταροσκελετό. Πρόκειται για το δυναμικό εσωτερικό ικρίωμα των κυττάρων που τους επιτρέπει να διατηρούν το σχήμα τους, να κινούνται και να διαιρούνται, ενώ σε αντίθεση με τους άκαμπτους σκελετούς των ζώων, οι κυτταροσκελετοί δομούνται και αποδομούνται συνεχώς. Το νέο υλικό συμπεριφέρεται με πανομοιότυπο τρόπο, καθώς συναρμολογείται και αποσυναρμολογείται όσο αποθηκεύει και απελευθερώνει ενέργεια. Φυσικά, αντί για βιολογικά καύσιμα, τροφοδοτείται από ηλεκτρόνια.
Όταν το κίτρινο υγρό εκτεθεί σε πηγή ενέργειας, υφίσταται μια εντυπωσιακή φυσικοχημική μετατροπή, παίρνοντας τη μορφή ενός μαύρου τζελ. Σε αυτή την κατάσταση, οι δεσμοί του έχουν κλειδώσει τα ηλεκτρόνια, επιτρέποντας την αποθήκευση της ενέργειας για αρκετούς μήνες χωρίς απώλειες. Όταν παραστεί ανάγκη, η ενέργεια αυτή μπορεί να αντληθεί για την τροφοδότηση χημικών αντιδράσεων ή ηλεκτρονικών συσκευών. Η διαδικασία “επαναφοράς” (reset) είναι εξίσου απλή, καθότι η επαφή με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα αρκεί για να διαλυθεί το τζελ και να επιστρέψει στην αρχική υγρή του μορφή, έτοιμο για τον επόμενο κύκλο φόρτισης.
Η αρχιτεκτονική του υλικού ANI-MV βασίζεται στη συνεργασία δύο βασικών χημικών συστατικών, του αμινο-ναφθαλινίου (ANI) που αντιδρά στο φως, και του μεθυλο-βιολογόνου (MV) που αναλαμβάνει την αποθήκευση των ηλεκτρονίων. Κατά την απορρόφηση φωτονίων, το ANI δωρίζει ηλεκτρόνια στο MV, ξεκινώντας τον κύκλο αποθήκευσης.
Μόλις η μονάδα MV εμπλουτιστεί με ηλεκτρόνια, τα γειτονικά μόρια αρχίζουν να έλκονται ισχυρά μεταξύ τους, δημιουργώντας δομές που ονομάζονται “pimers”. Αυτές οι ενώσεις στη συνέχεια οργανώνονται σε ημιαγώγιμες νανοκορδέλες νανοκλίμακας. Λόγω των αποεντοπισμένων ηλεκτρονίων κατά μήκος αυτών των κορδελών, το ηλεκτρικό φορτίο ρέει ελεύθερα αντί να παραμένει εγκλωβισμένο σε μεμονωμένα μόρια. Καθώς αυτές οι νανοσκοπικές κορδέλες περιπλέκονται, σχηματίζουν το χαρακτηριστικό μαύρο τζελ. Αυτό αποτελεί το πρώτο καταγεγραμμένο παράδειγμα ενός υπερμοριακού πολυμερούς pimer, κατασκευασμένου αποκλειστικά από μοριακά ζεύγη αποθήκευσης ηλεκτρονίων.
Τι σημαίνει η τεχνολογία ANI-MV για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας;
Η τεχνολογία ANI-MV επιτρέπει την αποθήκευση ηλιακής ενέργειας για μήνες χωρίς τη χρήση τοξικών μετάλλων (όπως το κοβάλτιο) ή πλαστικών, λειτουργώντας αποκλειστικά στο νερό. Ένα μόλις γραμμάριο υλικού μπορεί να φορτίσει ένα smartwatch κάτι που ανοίγει νέους δρόμους για φιλικά προς το περιβάλλον συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα, μειώνοντας την εξάρτηση από τις παραδοσιακές, δαπανηρές και περιβαλλοντικά επιβαρυντικές μπαταρίες λιθίου.
Ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα της έρευνας του Northwestern είναι η δυνατότητα “σκοτεινής φωτοκατάλυσης”. Τα περισσότερα υλικά που ενεργοποιούνται από το φως σταματούν να λειτουργούν μόλις αφαιρεθεί η πηγή φωτισμού. Το νέο τζελ, ωστόσο, διατηρεί την ενέργειά του και μπορεί να τη μεταφέρει στο οξυγόνο για τη δημιουργία εξαιρετικά αντιδραστικών μορίων που τροφοδοτούν χημικές αντιδράσεις στο απόλυτο σκοτάδι. Η ιδιότητα αυτή διευρύνει τις εφαρμογές του πέρα από τη βιομηχανία των ηλεκτρονικών, με προεκτάσεις στον περιβαλλοντικό καθαρισμό και την προγραμματιζόμενη ύλη.
Η αποθήκευση ενέργειας παραμένει το μεγαλύτερο εμπόδιο στην πλήρη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές. Το γεγονός ότι η ομάδα του Northwestern κατασκεύασε ένα βιώσιμο υπερμοριακό υλικό που αποφεύγει τα σπάνια μέταλλα δείχνει μια ξεκάθαρη τάση απαγκίστρωσης από τα ρυπογόνα στοιχεία των συμβατικών μπαταριών.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο δεν είναι η αποθήκευση καθαυτή, αλλά ο τρόπος που το υλικό αυτορυθμίζεται μέσω της έκθεσης στο οξυγόνο, μιμούμενο τη συμπεριφορά των ζωντανών κυττάρων, κάτι που εγγυάται μεγάλη διάρκεια ζωής χωρίς την αποδόμηση που παρατηρούμε στα χημικά κελιά του σήμερα.