Un nuevo estudio detalla el diseño de materiales a nivel molecular que permiten recolectar energía de evaporación de agua limpia y sostenible y convertirla en movimiento de manera eficiente, con el potencial de alimentar futuros dispositivos mecánicos y máquinas
La evaporación del agua, como se observa cuando un charco de agua desaparece en un día de verano, es un proceso notablemente poderoso. Si se aprovechara, el proceso podría proporcionar una fuente limpia de energía para alimentar máquinas y dispositivos mecánicos. En una reciente publicación en Nature Materials , un equipo internacional de científicos dirigido por investigadores del Centro de Investigación de Ciencia Avanzada en el Centro de Graduados, CUNY (CUNY CAES) detalla el desarrollo de cristales que cambian de forma y que convierten directamente la energía de evaporación en movimiento.
Estos materiales sensibles al agua se crearon mediante el uso de variantes simples de bloques de construcción biológicos, conocidos como tripéptidos, para crear cristales que son simultáneamente rígidos y transmorfables. Los materiales están compuestos por patrones tridimensionales de poros a nanoescala donde el agua se une fuertemente, y estos poros están intercalados con una red molecular de regiones rígidas y flexibles. Cuando la humedad baja y alcanza un valor crítico, el agua se escapa por los poros provocando una fuerte contracción de la red interconectada. Esto da como resultado que los cristales pierdan temporalmente sus patrones ordenados hasta que se restablezca la humedad y los cristales recuperen su forma original. Este proceso de nuevo diseño se puede repetir una y otra vez y da lugar a un método notablemente eficiente de recolectar energía de evaporación para realizar trabajo mecánico.
"Básicamente, creamos un nuevo tipo de actuador, que es impulsado por la evaporación del agua", dijo la estudiante Roxana Piotrowska, primera autora del estudio e investigadora de la Iniciativa de Nanociencia CUNY ASRC. “Al observar su actividad, hemos podido identificar los mecanismos fundamentales de cómo los materiales sensibles al agua pueden convertir eficientemente la evaporación en energía mecánica”.
“Nuestro trabajo permite la observación directa de la actuación impulsada por la evaporación de los materiales a escala molecular”, dijo el autor del estudio, Xi Chen, cuyo laboratorio con la Iniciativa de Nanociencia CUNY ASRC codirigió la investigación. "Al aprender a extraer energía de la evaporación de manera eficiente y convertirla en movimiento, se pueden diseñar actuadores mejores y más eficientes para muchas aplicaciones, incluidos los dispositivos de recolección de energía de evaporación".
"Es importante destacar que nuestros cristales diseñados se producen exactamente con los mismos bloques de los que están hechas las proteínas, pero se simplifican radicalmente y, como resultado, sus propiedades pueden ajustarse con precisión y optimizarse racionalmente para esta aplicación ”, dijo Rein Ulijn, Director de la Iniciativa de Nanociencia de CUNY ASRC, cuyo laboratorio, que codirigió el trabajo, es responsable de los aspectos de diseño biomolecular de la investigación. "La belleza de utilizar componentes biológicos para crear esta nueva tecnología es que los cristales morfogénicos resultantes son biocompatibles, biodegradables y rentables".
Mediante el uso de una combinación de experimentos de laboratorio y simulaciones por computadora, los investigadores pudieron identificar y estudiar los factores que controlan la actuación de estos cristales. Este enfoque dio como resultado nuevos conocimientos que informan el diseño de formas más eficientes de utilizar la evaporación para una variedad de aplicaciones, que pueden incluir componentes robóticos o micro y nanomáquinas mecánicas que funcionan con evaporación de agua.
Fuente: Advanced Science Research Center