Mei et al., Advanced Functional Materials (2021)
Il bambù è registrato nel Guinness dei primati come la pianta con crescita più rapida sulla Terra, con un tasso di allungamento riportato di quasi 40 mm all’ora. Il rapido sviluppo del bambù richiede un trasporto ultraveloce di acqua dalla radice alla punta e ai rami lungo il fusto. Oltre al trasporto all’interno del fusto, la membrana del bambù, una pellicola semitrasparente molto sottile attaccata alla parete interna, è anche una via ad alta velocità per il trasporto dell’acqua. Essa, infatti, ha un’interessante struttura a strati multilivello che facilita il rapido trasporto del liquido. Lo strato esterno, formato dai canali di trasporto con spaziatura intercalare più ampia, consente una rapida bagnabilità e una veloce diffusione dell’acqua; gli strati interni, invece, hanno una spaziatura interstrato molto più ristretta che fornisce un effetto nanofluidico per molecole ultraveloci e trasporto di ioni.
Ispirati da questa membrana, gli scienziati della Queensland University of Technology (AU) hanno sviluppato delle nanoarchitetture 2D-2D che imitano la struttura della membrana del bambù con canali multilivello per trasporto ionico. Tale membrana è stata ideata al fine di aumentare l’efficienza delle batterie con elettrodi così da poterli ricaricare molto più velocemente rispetto ai modelli classici. Nello specifico, è stata fabbricata utilizzando strati di nanofogli di ossidi di cobalto e grafene, che, proprio come la membrana del bambù, presentano strati molto ravvicinati sul lato più vicino all’anello interno e strati più distanti sul lato esterno.
Sono estate effettuate delle prove di bagnabilità sulle membrane, per valutare la capacità dell’elettrolita organico di mantenere il contatto con la loro superfice. I risultati hanno rilevato che i canali multilivello contribuiscono in modo significativo alla rapida bagnabilità e penetrazione degli elettroliti liquidi attraverso i canali più grandi. Questo, combinato con il trasporto veloce di ioni attraverso i canali di dimensioni nanometriche, ha indotto un comportamento super-idrofilo e un trasporto ultraveloce di ioni nelle membrane. Quando utilizzata in dispositivi di stoccaggio elettrochimici agli ioni di litio, la membrana bio-ispirata ha mostrato una potenzialità molto alta e un notevole stabilità ciclica.
Questo studio ci offre quindi un nuovo principio nella progettazione di materiali energetici ad alte prestazioni. Il metodo di fabbricazione semplice e controllabile potrebbe essere adattato per la produzione poco costosa di membrane di elettrodi 2D multilivello su scala industriale, come elettrodi ad alte prestazioni per l’energia, batterie ricaricabili e super-condensatori.
