Interfazeak

Onar dezagun, denok elkarri eragin behar diogu. Gure unibertso osoa elkarrekintzetan oinarritzen da. Ukimenaren sentsaziotik erreakzio kimikoen katalisira, egun euritsu batean jartzen dugun beroki iragazgaitzetik igaroz, dena interfazearen portaera partikularrean oinarritzen da.

Interfaze hauek interes handia dute ia edozein eremutako ikertzaileentzat, bereziki katalisian, materialen bereizketan eta biltegiratzean eta energia bihurtzean. Gainera, eskala nanometrikoan, aurpegiarteko portaera horrek guztiak hartzen du interesik handiena: nanomaterialen azalera-eremua askoz handiagoa da homologoena baino makroeskalan, aurpegien arteko elkarreraginak maximizatuz. Zehazki, likidoen intrusio/estrusiorako, horrek propietate bakarrak ditu, bestela ezinezkoa litzatekeena errazteko ahalmena dutenak.

Aurpegien arteko fenomenoen energia optimizatu eta aprobetxatu daiteke kromatografiako aplikazioetarako, nanomakina adimendunetarako eta energia biltegiratzeko. Gainera, energia horrek potentzial handia erakusten du hainbat eta hainbat aplikaziotarako, energia lortu, birziklatu eta birbanatuz, eta material adimendunak dituzten sistemak kontrolatuz. Ibilgailu elektrikoen egungo mugak direla eta, adibidez, hondar-berotik energia aurrezteko aukera bereziki erakargarria da, beste energia-mota batzuen bihurketa bezala.

Hemen, CIC energiGUNEn, Aurpegiarteko fenomenoak eta bitarteko porotsuak ikerketa-taldeak fenomeno horiek aztertzen ditu aplikazio ugaritan egokitzeko eta optimizatzeko, hala nola material porotsuen triboelektrifikaziorako gure Elektro-Intrusio (Horizonte 2020 Programaren FET-PROACTIVE) intsignia proiektuan eta ERC Proof of Concept NoDRY proiektuan, HPLC akuosa teknologia garatzeko, Erromako Sapienza unibertsitateko gure laguntzaileek egindako ikerketa konputazionalekin batera.

Intrusioa/Estrusioa

Nanomaterial porotsuak aplikazio sorta zabal baterako ikertzen dira, hala nola motelgailuak eta paratxokeak, malguki molekularrak, muskulu artifizial termorregulatuak (eragingailuak), balbula adimendunak, kromatografia, fluido adimendunak eta baita ur porotsua ere.

Nanomaterial horiek bolumen eta azalera-eremu handiak dituzte beren tamainarako, eta horrek gasak, medikamentuak eta litio-ioiak biltegiratzeko baliabide itxaropentsu bihurtzen ditu, baterietarako aplikazio potentzialetan. Batzuk baldintza zehatzetan konprimitu eta zabal daitezke, eta horrek balbula adimendun, etengailu eta muskulu artifizial gisa jokatzeko aukera ematen die. Baina badira beste batzuk hidrofoboak direnak eta propietate kitzikagarriak dituztenak urarekin elkarreraginean aritzera behartuta daudenean, energia-aplikazio ugaritarako aprobetxa daitezkeenak, hala nola motelgailuak, malguki molekularrak eta sorgailu triboelektrikoak.

Intrusioa da material bat presiopeko barrunbe edo kanal batean sartzea, eta estrusioa alderantzizko prozesua da. Horrela, ikerketa-gune nagusiak biltegiratzea eta bereiztea dira, adibidez, normalean zutabeko kromatografiarako erabiltzen dira, eta bertan materialak bereizten dira laborategian edo industria-inguruneetan arazteko. Farmakoen hornidura ere lantzen ari dira, material porotsuek farmako/produktu kimiko espezifiko bat atxiki baitezakete, harik eta in vivo (adibidez, tenperatura, pH) abiarazle espezifiko batek organismoan askatzea eragiten duen arte. Gainera, material porotsu batzuk medikamentuen molekulen inguruan sintetiza daitezke, materiala sartzea saihestuz.

1. irudian, eskematikoki azaltzen da ura materialean sartu dela/atera dela, eta ura material porotsuan sartzen dela presioa nahikoa handia denean (1c). Materialaren malgutasunaren arabera (beste faktore batzuen artean), energia-galeraren maila desberdinak egon daitezke intrusio/estrusio zikloan. Sistema bateriatzat hartzen bada, honek energia galdua ekar dezake, baina motelgailu batentzat onuragarria da, non energia eraginkortasunez deuseztatu behar den.

^{1. irudia – Pistoiarekin zigilatutako kamera baten barruko intrusio/estrusioaren eskema. (a) Pistoia mugitzen hasten da, ganberan presio nahikoa lortzen denean (b), likidoa materialaren poroetan barneratzen da intrusioa eraginez (c). Aitzitik, pistoiak (d) presioa askatzen duenean, likidoa material porotsutik ateratzen da eta estrusioa lortzen du (e).}

Funtzionamendu praktikoan

Intrusio-presioaren eta estrusio-presioaren (histeresisa) arteko aldea materialaren araberakoa da, eta desberdintasun handiak izan ditzake. Horri esker, hainbat teknologiatara egokitu gaitezke. Histeresi handiagoa duten materialak motelgailu mekaniko eta akustiko eraginkorrak dira, energia eraginkortasunez uxa baitezakete. Bestalde, histeresi murriztua duten materialak erabilgarriagoak dira energia biltegiratzeko sistemetarako, sartzen denaren antzeko energia kantitatea itzultzen baitute.

Halaber, intrusio-presioaren atalasea doitu dezaketen propietateak bilatzen dira, funtzionamendu konbentzionaletik kanpoko presioak behar dituzten materialak bideragarriak izan daitezen. Material berriak sintetizatu gabe doikuntza hori lortzerik badago, aplikazio sorta zabal baterako duen erakargarritasuna berehala areagotzen da.

HPLC: gai idorra?

NoDRY proiektuaren ardatza ura bereizmen handiko kromatografia likidoan (HPLC) erabiltzea ahalbidetuko duen sistema bat aurkitzea da, hainbat merkataritza-industriatan materialak bereizteko ohiko teknika. Tradizionalki, teknologia horiek industria petrokimikoak sortutako disolbatzaile organikoak erabiltzen dituzte. Hala ere, fase solidoaren hezetze/lehortze arazoek ura eraginkortasunez erabiltzea eragotzi dute orain arte.

Horrela, proiektu honek arazo hori gainditu nahi du, teknologia eraginkorragoa eta ekologikoagoa lortuz. Horretarako, histeresi handia duten materialekin lan egingo da, eta, horrela, intrusio-egoera behar bezain egonkorra izango da funtzionatzeko, baina, aldi berean, materiala lehortu ahal izango da, intrusioa lortzen denean, garbitu behar denean.

Aurkikuntza harrigarriak

Ura material hidrofobo eta porotsuetan sartzeak edo estrusioak propietate intriganteak sor ditzake, hala nola elektrizitatea eta beroa sortzea edo materiala presiopean hedatzea (konprimagarritasun negatiboa). Ezaugarri hori ez da oso ohikoa. CIC energiGUNEn, Fenomeno interfazialak eta bitarteko porotsuak ikerketa-taldeak material porotsu horietan ura sartzearen/estrusioaren bidez elektrizitatea sortzea ikertzen du, Elektro-Intrusio proiektuaren zati gisa, teoria klasikoek aurreikusi gabeko propietate bakarrak ustiatuz energiaren aprobetxamendua, berreskurapena eta disipazioa hobetzeko.

Energiaren kontserbazioari buruzko legeak ezartzen du energia hori ezin dela sortu edo suntsitu, eraldatu baino ez dela egiten. Beraz, desegindako energia beste bide batetik bihurtu eta askatu behar da. Nahiz eta zati bat bero moduan galduko den, bateria konbentzionalak kargatzean/deskargatzean berotzen diren bezala, beste bide bat elektrifikazioa da (2. irudia), e.i., energia elektrikoa sortuz.

^{2. irudia – Intrusio-estrusio prozesuan likidoaren marruskadurak (triboelektrifikazioa) eragindako poro batean karga-trukea. (a) Likidoa poroan sartu aurreko oreka, (b) intrusioa eta karga-trukea, eta (c) material kargatua estrusioa gertatzen denean. Marruskaduraz eragindako karga (triboelektrifikazioa), nanomaterialeko poroen eta gainazalaren arteko kontaktuan karga-trukearen ondorioz.}

^{3. irudia – Triboelektrifikazioa neurtzeko PVT gailuaren gelaxka (presioa, bolumena eta tenperatura), non kable elektrikoak material hidrofobo nanoporoso batekin kontaktuan dagoen elektrodo eroale batera konektatzen diren.}

Marruskadurak eragindako karga/deskarga pentsa daitekeena baino askoz ere fenomeno ezagunagoa da: agian alfonbra baten gainean ibili ondoren edo artilezko jertse bat zeraman bitartean deskarga bat jaso ahal izan du, edo puxika bat igurtzi eta harekin ilea altxatu du. Gure kasuan, printzipioa bera da, gutxi gorabehera, baina nanoporoen barne-azalera handiaren abantaila gehituta: material nanoporoso batzuek 1800m2/g baino gehiagoko poro-azalera izan dezakete, ia zazpi tenis-pista 1 g materialean!

CIC energiGUNEn triboelektrifikazioa neurtzeko ekipamendua dugu konpresio-desulermen zikloak egitean (3. irudia). Gailuak 800 bar arteko presioak izan ditzake, tenperatura eraginkortasunez erregulatuz. Gainera, gure zentroan diseinatutako tapoiak kable elektrikoak igarotzea ahalbidetzen du, konpresio-deskonpresioko zikloetan tentsioa eta korrontea erregistratzeko. Zentroak merkuriozko porosimetroa ere badu, eta, horren bidez, lagin txikien presioa eta intrusio-/estrusio-bolumena neur daitezke, material hautagaiak azkar bahetzeko aukera emanez. Horrela, gure ikastetxean HPLC eta nano-triboelektrifikazio aplikazioetarako material ugari ebaluatu dira, eta emaitza oparoak lortu dira. Hurrengo urratsek aplikazio komertzialetarako sistemak optimizatzea eta garatzea ekarriko dute.

Laburbilduz, nanomaterial porotsuen eta horien interfazeen azterketan egindako bidaia hau energia-bihurketarako eta beste aplikazio batzuetarako aukeraz beteta dago. Nanoegitura horien sekretuak argitu ahala, gero eta nabarmenagoa da energia biltegiratzea, kromatografia eta material adimendunak bezalako sektoreak iraultzeko duten ahalmena. Errendimenduaren optimizazioan eta iraunkortasunean zentratzen ari diren ikerketa-ahaleginekin, etorkizunak ikuspegi liluragarriak eskaintzen dizkigu nanomaterial porotsuen boterea aprobetxatzeko, munduko energia-erronka larriei aurre egiteko eta materialen zientziaren arloan berrikuntza bultzatzeko.