A biologia da enguia eléctrica inspira uma poderosa bateria de gel

A equipa utilizou um método de fabrico de última geração para colocar em camadas vários tipos de hidrogéis - um material rico em água capaz de conduzir eletricidade - num padrão específico que imita os processos iónicos que as enguias eléctricas utilizam para gerar explosões eléctricas. A sua abordagem produz fontes de energia com densidades de potência mais elevadas do que outras concepções baseadas em hidrogéis, mantendo-se flexíveis, sem suporte, ambientalmente estáveis e biologicamente compatíveis. As suas descobertas foram publicadas na revista Advanced Science.

De acordo com Joseph Najem, professor assistente de engenharia mecânica e autor correspondente do artigo, os investigadores têm-se inspirado na biologia dos peixes eléctricos, como as enguias, para desenvolver fontes de energia suaves. No entanto, a maioria dos dispositivos existentes inspirados em enguias produzem energia limitada e requerem apoio mecânico para funcionar. Para resolver estes problemas, a equipa ajustou a química do material para fabricar hidrogéis muito finos, que podem produzir mais energia sem a necessidade de suportes mecânicos.

"Os electrócitos das enguias eléctricas são células biológicas ultra-finas, capazes de gerar mais de 600 volts de eletricidade numa breve explosão", afirmou Najem. "Estas células atingem densidades de energia muito elevadas, o que significa que podem produzir muita energia a partir de pequenos volumes."

A equipa construiu as suas fontes de energia apenas a partir de hidrogel para garantir que as baterias permaneciam não tóxicas e flexíveis, mesmo quando se tornavam mais potentes.

"Para aplicações biomédicas e quase biomédicas, temos de garantir que as baterias são compatíveis com o meio envolvente, flexíveis, seguras e, idealmente, capazes de utilizar os recursos disponíveis para recarregar", afirmou Najem. "Isto motivou-nos a desenvolver as nossas fortes fontes de energia num sistema à base de hidrogel, que funcionaria bem em ambientes biológicos".

Utilizando o spin coating, uma técnica que deposita camadas ultra-finas de material numa superfície rotativa, a equipa colocou quatro misturas diferentes de hidrogel, cada uma com apenas 20 micrómetros de espessura - uma fração da largura de um cabelo humano. Esta geometria fina reduz a resistência interna, que é essencial para a produção de alta potência, preservando simultaneamente a resistência mecânica e a flexibilidade, explicou Najem.

"Em estudos anteriores, os hidrogéis necessitavam normalmente de estruturas de suporte externas, o que tornava esta abordagem impraticável e conduzia a baixas potências", afirmou Dor Tillinger, doutorando em engenharia mecânica e coautor do artigo. "Descobrimos que a utilização de hidrogel fino reduzia naturalmente a resistência interna do material, o que aumentava as densidades de potência que podíamos produzir."

Para tornar o hidrogel mais fino, a equipa teve de ajustar a química. Wonbae Lee, doutorando em ciência e engenharia de materiais e coautor do primeiro artigo, explicou como a equipa testou várias abordagens antes de decidir qual a mistura ideal.

"Tivemos de afinar cuidadosamente a mistura química para que o hidrogel se espalhasse uniformemente durante o revestimento por centrifugação, permanecesse mecanicamente estável e fosse suficientemente fino para manter uma baixa resistência eléctrica", disse Lee. "As formulações convencionais simplesmente voariam para fora da superfície de fiação durante o revestimento por fiação. Otimizar a viscosidade e a resistência mecânica do nosso hidrogel foi essencial para que esta abordagem funcionasse."

A equipa utilizou instrumentos no laboratório de Najem e no Instituto de Investigação de Materiais para recolher medições electroquímicas das suas fontes de energia, tais como a taxa de descarga, a densidade de energia e o potencial de condução. As suas novas fontes de energia apresentaram densidades de energia de cerca de 44 kW/m3 - mais elevadas do que as fontes de energia à base de hidrogel anteriormente comunicadas, e capazes de alimentar eficazmente dispositivos complexos como sensores médicos implantados, controladores de robótica macia e eletrónica vestível.

"Além disso, estas optimizações de materiais permitem o funcionamento em ambientes extremos", afirmou Lee. "Ao incorporar o glicerol químico, as fontes de energia de hidrogel permanecem funcionais a temperaturas tão baixas quanto 80 graus Celsius (C), ou -112 graus Fahrenheit (F), sem congelar.

O material também retém a água durante mais tempo do que os hidrogéis convencionais. Enquanto os hidrogéis convencionais podem desidratar em poucos minutos e perder a condutividade, a nova formulação pode permanecer hidratada durante dias no ar, disse Najem.

"Tanto quanto sabemos, esta é a primeira fonte de energia inteiramente contida numa solução de hidrogel que não necessita de suporte externo", afirmou Najem. "Não temos conhecimento de nenhuma outra tecnologia de hidrogel que possa atingir estas densidades de energia, mantendo-se flexível e ambientalmente estável."

De acordo com Tillinger e Lee, os trabalhos futuros centrar-se-ão no aumento da densidade de potência e da eficiência de recarga das fontes de energia, explorando também as capacidades de auto-carregamento.