Projetando salmoura alimentada com vapor de água

Dec 12, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13999 (2022) Citar este artigo

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O vapor de água aumenta a condutividade elétrica de casulos de seda, cabelo humano, juta e seda de milho. Este fenômeno não é claro. No presente estudo, a análise XPS de casulos mostrou que o vapor d'água reduz a presença superficial de espécies de carbono de baixa energia (C–C, C–H). Em contraste, as espécies de carbono de alta energia e densas em elétrons (C–N, C=C, C=O) permaneceram inalteradas, possivelmente aumentando o salto de carga na superfície. Enquanto o vapor de água melhora a condução, a deficiência do portador de carga diminui o efeito. Aumentamos o portador de carga embebendo o casulo em uma solução aquosa de sal comum (NaCl) para amplificar a corrente. O tratamento com sal seguido por 2 min de exposição ao vapor de água resulta em um pico ascendente acentuado na corrente (3,6 ± 1,07 mA, n = 12; média ± SE) da linha de base (0,06 ± 0,02 mA, n = 12). Após 1 h, mantém um valor médio de 0,39 ± 0,12 mA; n = 12, indicando um deslocamento ascendente na linha de base. Toda vez que o casulo é carregado com vapor d'água, o próximo ciclo de carregamento é iniciado depois que o casulo seca. Inspirados na ecologia do casulo, demonstramos um ciclo alternado de 'vapor d'água-ar seco' para carga e descarga rápidas da bateria do casulo. Por fim, projetamos um protótipo de uma chaleira auto-iluminada e painéis de vapor d'água para casas futuristas usando uma 'bio-bateria de proteína de casulo de seda salgada', onde o calor úmido gera eletricidade.

As proteínas de membrana presentes nas células são a bioinspiração para a biofabricação de dispositivos futuristas de coleta e armazenamento de energia1,2. Os desafios inerentes ao projeto e fabricação de tais dispositivos são a complexidade do isolamento de tais proteínas e seu curto prazo de validade. Abordamos o problema com um casulo de seda de membrana de proteína robusta que ocorre naturalmente para antecipar esses desafios3.

Um casulo de seda é uma membrana de proteína formada por insetos lepidópteros. Um inseto lepidóptero tem um ciclo de vida típico de quatro estágios: ovo, larva, pupa e mariposa adulta. Uma mariposa adulta põe os ovos e, após a eclosão, as larvas emergem. As larvas comem vorazmente as folhas das plantas e secretam copiosamente um fluido salivar viscoso rico em proteínas, denominado seda. Ele girou esse fluido sedoso em torno de seu próprio corpo, formando assim uma câmara de casulo protetora. Marca o início da fase pupal (fase dormente ou diapausa) na vida de um inseto. Esta fase varia de 21 dias a 9 meses em certas espécies de vermes encontrados nas regiões temperadas do mundo. Uma vez que esta dormência auto-induzida está completa, uma mariposa adulta emerge do casulo. Todo esse processo é uma metamorfose4,5.

Um casulo é uma incubadora que mantém uma temperatura ambiente e facilita seletivamente a difusão do dióxido de carbono fora do casulo5. Protege as pupas em desenvolvimento da luz solar direta, chuva, vento e efeito estufa6,7,8. A diminuição do tamanho dos poros de fora para dentro da membrana da proteína da seda evita que a água penetre dentro do casulo da seda, tornando-a uma membrana à prova d'água9,10,11. Os raios UV agressivos são absorvidos na superfície do casulo por compostos protetores UV antioxidantes presentes na superfície externa do casulo de seda6,7,8,12. O casulo de seda sente a gravidade por meio de suas características magnéticas suaves, apoiando assim o desenvolvimento saudável das pupas13.

Anteriormente, foi proposto que a regulação da temperatura em casulos de seda é um fenômeno termoelétrico que abrange os efeitos semelhantes a Seebeck, Peltier e Thomson5,10,11,12,14,15,16. A assimetria estrutural entre as superfícies externa e interna dos casulos de seda reforça ainda mais essa ideia5. Descobrimos que quando a membrana do casulo de seda é colocada entre dois eletrodos e exposta ao vapor d'água, ela gera corrente para alimentar os LEDs. LED para de brilhar quando desligamos o vapor de água. Um casulo seco falha em gerar corrente perceptível quando exposto a ar livre de umidade. Um casulo de seda úmido pode manter a carga brevemente como um capacitor quando carregado com uma fonte DC10,11. Os portadores de carga dentro dos casulos de seda são complexos carregados do tipo polaron mediados por água, ativados por calor e umidade16. Um tema emergente das propriedades termoelétricas do casulo é a necessidade de moléculas de água nos espaços intermoleculares da proteína, ao contrário de qualquer outro material termoelétrico de estado sólido conhecido. Portanto, é um material termoelétrico úmido10,11,12,14,15,16. A filosofia básica do trabalho é explorar a propriedade termoelétrica úmida do casulo de seda para desenvolver um dispositivo de energia de proteína de seda que possa fornecer energia por um longo período de tempo, mesmo após interromper o vapor de água e funcionar em um vasto regime de clima.