Os pesquisadores Linda Zou e Haoran Liang patentearam uma nova partícula nucleadora de gelo para semeadura de nuvens e outras aplicações baseada num compósito poroso nanoestruturado de óxido de grafeno reduzido (rGO) em 3 dimensões (3D) e nanopartículas de dióxido de sílica (PrGO-SN).

A invenção introduz um novo tipo de material para nucleação de gelo em nuvens frias. Este material é um compósito nanoestruturado que possui excelente condutividade térmica benéfica para a nucleação de gelo de água super-resfriada. A partícula de nucleação de gelo criada por este compósito pode acelerar e aumentar a formação e o crescimento de cristais de gelo em nuvens de fase mista quando apresentados em uma condição atmosférica fria. A partícula nucleadora de gelo pode crescer rápida e continuamente à medida que a temperatura diminui. O compósito de nucleação de gelo é capaz de iniciar a nucleação de gelo a uma temperatura mais alta de -8°C e pode produzir uma pluralidade de cristais de gelo que se multiplicam em número quando a temperatura aumenta a ou abaixo de -8°C.

As nanopartículas de dióxido de silício são distribuídas uniformemente ao longo de uma estrutura de rede hexagonal de rGO. O compósito tem condutividade térmica superior no plano e fora do plano, o que é favorável para a nucleação de gelo de água super-resfriada. A partícula nucleadora de gelo exibe uma alta capacidade de adsorção de água de 118,86 cm3/g em condições de baixa umidade. O compósito tem alta área de superfície de Brunauer-Emmett-Teller (BET) de 178,84 m2/g, o que é atribuído ao menor reempilhamento das folhas flexíveis de rGO durante o processo de automontagem. As nanopartículas de SiO2 funcionam como espaçadores, que separam as folhas rGO ocupando as lacunas intercamadas, causando menor agregação e resultando em aumento da área superficial. O compósito tem baixo ângulo de contato com a água de 36,2°, resultando em maior hidrofilicidade. O compósito compreende uma pluralidade de poros de cerca de 10-100 nm de tamanho, resultando em um volume de poros de 1,23 cm3/g.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

O congelamento de água líquida em gelo sólido é um fenômeno natural comum que pode ocorrer de forma homogênea ou heterogênea. As partículas nucleadoras de gelo (INPs) são materiais estranhos que podem iniciar a nucleação heterogênea do gelo e podem se originar de várias fontes, como fontes biológicas, mineralógicas e antropogênicas. A nucleação heterogênea de gelo desempenha um papel crucial em vários campos, como física atmosférica, tecnologias de criopreservação e liofilização na pesquisa biomédica e na indústria de alimentos!

As INPs são usadas em aplicações de semeadura de nuvens para iniciar a nucleação de gelo em nuvens, o que pode levar à precipitação. O INP mais comumente usado é o iodeto de prata (Agl), que inicia a nucleação do gelo seletivamente em locais específicos, como locais de defeitos e incompatibilidades de treliça. Os locais de defeito são mais favoráveis para a nucleação do gelo do que as faces perfeitas dos cristais de Agl. Algumas das substâncias nucleadoras de gelo mais eficientes têm estruturas que combinam intimamente com a rede hexagonal de gelo. No entanto, a Agl requer temperaturas muito mais baixas (-25°C) para exibir boa capacidade de nucleação de gelo e está associada a riscos ambientais controversos. Outros materiais com sítios de defeitos favoráveis e estruturas reticuladas semelhantes ao gelo exibem alta atividade de nucleação do gelo apenas em baixas temperaturas. Outro INP eficaz é a Pseudomonas syringae, um tipo de bactéria ativa no gelo usada para a produção artificial de neve em áreas de esportes de inverno. A capacidade de nucleação de gelo de P. syringae vem do mimetismo de gelo dos locais de nucleação de gelo, que serve como um molde para orientar a água em uma rede. No entanto, P. syringae exibe apenas uma alta contagem inicial de nucleação de gelo e não pode aumentar ainda mais os números com temperatura reduzida. Materiais à base de bactérias exigem alto custo para produção em massa e não são amplamente utilizados para aplicações de semeadura em nuvem no momento.

Vários materiais foram encontrados para promover a nucleação do gelo, incluindo nanomateriais de carbono, como o grafeno e seus derivados. O grafeno tem propriedades de superfície intrínsecas e funcionalizadas que o tornam um material promissor para a nucleação do gelo. A sub-rede triangular de grafite corresponde à estrutura natural do gelo, o que poderia favorecer o crescimento epitaxial do gelo hexagonal estável em nível atômico. O óxido de grafeno (GO) também exibe habilidades de nucleação de gelo devido aos grupos funcionais hidrofílicos contidos em oxigênio que existem em sua superfície, que podem capturar eficientemente moléculas de água. Experimentos de congelamento de gotículas de imersão têm sido usados para medir indiretamente as habilidades de nucleação de gelo de materiais através da contagem do número de gotículas congeladas em microescala. No entanto, a maioria das atividades de nucleação de gelo de nanomateriais de carbono só foram observadas em temperaturas relativamente baixas (< -20 °C), o que é menos ideal do que outros materiais de nucleação de gelo, como feldspato e iodeto de prata com temperatura de nucleação mais alta. A observação in situ da nucleação do gelo em nanomateriais de carbono é menos conhecida, e o progresso em tempo real do crescimento do gelo não é capturado. A semeadura de nuvens é um método eficaz para aproveitar os recursos hídricos nas nuvens, e a maior parte da precipitação nas nuvens começa através da fase de gelo. Os estudos sobre semeadura de nuvens em temperatura abaixo de zero (semeadura de nuvens frias) não viram muito progresso, com Agl como o material de semeadura de nuvens frias mais comumente usado por décadas, o que é frequentemente associado a risco ambiental controverso.

Um estudo recente projetou e sintetizou um tipo de partícula de núcleo/casca NaCl/Ti02 (CSNT) com tamanho de partícula controlado que adsorveu com sucesso mais vapor de água e formou gotículas de água maiores do que o NaCl puro. O revestimento de dióxido de titânio na partícula CSNT melhorou a capacidade do sal de adsorver e condensar vapor de água mais de 100x em comparação com um cristal de sal puro. Esse aumento na eficiência da condensação poderia melhorar a capacidade de uma nuvem de produzir mais precipitação, tornando as operações de aumento de chuva mais eficientes e eficazes. Há suposta necessidade de sintetizar novos materiais alternativos de semeadura de nuvens que possam aumentar a eficiência da formação de gotículas de chuva em nuvens frias e minimizar o efeito adverso sobre o meio ambiente. Haveria também a necessidade de desenvolver partículas de nucleação de gelo que possam iniciar a nucleação de gelo em temperaturas mais altas.

RISCOS AMBIENTAIS E À SAÚDE PÚBLICA

É evidente que a precipitação de nuvens semeadas por grafeno resultaria na chegada indiscriminada do grafeno em terra e corpos d’água. Seu impacto dependeria de vários fatores, incluindo a quantidade de grafeno derramada e as características específicas do ecossistema em questão. No entanto, aqui estão algumas considerações gerais sobre os possíveis danos do espalhamento de grafeno em ecossistemas. O grafeno é extremamente fino e pode formar suspensões coloidais em líquidos, incluindo água. Isso significa que, se for derramado na forma de nanopartículas, o grafeno pode se espalhar pela água, afetando a qualidade e a claridade da água. Sua presença poderia potencialmente afetar organismos aquáticos e terrestres, desde microorganismos até animais maiores. Estudos sugerem que nanopartículas de grafeno podem ter efeitos tóxicos em alguns organismos, afetando seu comportamento, crescimento, reprodução e até mesmo sua saúde geral. O grafeno induz estresse oxidativo, danos às mitocôndrias e ao DNA, morte celular, necrose, câncer, respostas inflamatórias, resposta imune, e pode induzir trombos. O grafeno poderia ser absorvido por organismos e, dependendo de suas propriedades, poderia se acumular ao longo da cadeia alimentar, levando a concentrações mais altas de grafeno em predadores que se alimentam de presas contaminadas e aumentando os riscos potenciais. O grafeno pode afetar a viscosidade e outras propriedades físicas da água, o que poderia ter impactos nas condições de vida dos organismos aquáticos. A introdução do grafeno em ecossistemas pode perturbar as relações ecológicas naturais, afetando a biodiversidade e o equilíbrio ecológico. Dependendo das condições de degradação, o grafeno pode persistir na água por um longo tempo, acumulando impactos ao longo do tempo. Portanto, o derramamento inadequado de grafeno em rios e lagos poderia ter efeitos adversos na qualidade da água, nos organismos aquáticos e nos ecossistemas como um todo.

Outros produtos químicos como iodeto de prata comumente usados para semeadura de nuvens também representam uma ameaça ao meio ambiente e à saúde pública. O iodeto de prata pode causar incapacidade temporária ou lesão residual em humanos e mamíferos com exposição intensa ou crônica. A toxicidade de micropartículas de iodeto de prata utilizadas na semeadura de nuvens tem levantado preocupações, especialmente em ambientes aquáticos. O método convencional de semeadura de nuvens mostrou mudar a forma e o comportamento das nuvens, mas sua capacidade de induzir chuva é incerta. A estrutura do gelo na nanoescala não é bem compreendida, o que limita a eficácia dos métodos atuais de semeadura de nuvens. Estudos recentes mostraram que o gelo na nanoescala tem uma estrutura cristalina pentagonal, o que abre a possibilidade de usar produtos químicos novos e potencialmente mais eficazes para a semeadura de nuvens.

REFERÊNCIAS

Zou, L. & Liang, H., 3D reduced graphene oxide/SiO2 composite for ice nucleation, WO2020148644A1, World Intellectual Property Organization (WIPO), 23 July 2020, patents.google.com/patent/WO2020148644A1/en