Entrevista com Kirk Schanze (professor da Universidade de Texas em San Antonio e editor-chefe da ACS Applied Materials & Interfaces).


KirkSchanzeNo grupo de pesquisa do professor Kirk Schanze, os polieletrólitos conjugados (CPEs, na sigla em inglês) têm sido objeto de estudos fundamentais e também protagonistas de aplicações. O grupo já explorou CPEs como sensores fluorescentes, em células solares e como materiais bactericidas, por exemplo.

No dia 13 de setembro, em Gramado, Kirk Schanze abrirá um espaço na sua apertada agenda de professor da Universidade de Texas em San Antonio (UTSA) e editor-chefe da ACS Applied Materials & Interfaces para proferir uma palestra plenária sobre CPEs no XVI Encontro da SBPMat.

Schanze formou-se em Química pela Universidade do Estado da Flórida (FSU) em 1979. Quatro anos mais tarde, obteve seu diploma de doutorado, também em Química, pela Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. Logo depois, ganhou uma das concorridas bolsas do Instituto Miller para fazer um estágio de pós-doutorado na Universidade de Califórnia, Berkeley. Depois de dois anos como pós-doc, tornou-se professor da Universidade da Florida (UF), onde permaneceu até 2016. Ali foi professor de Química, ocupando a cadeira Prominski, e coordenador da divisão de Química Orgânica. Além disso, fundou o Schanze Group, que hoje continua suas atividades de pesquisa na UTSA.

Entre 2000 e 2008, Schanze desempenhou-se como editor sênior do prestigiado periódico Langmuir, da American Chemical Society (ACS). Logo depois, assumiu o cargo de primeiro editor-chefe do periódico ACS Applied Materials & Interfaces, que acabava de ser lançado.

Em 2016, Schanze deixou a UF para ocupar a cadeira de Química “Robert A. Welch Distinguished University Chair” na UTSA.

É autor de cerca de 300 papers e 20 patentes. Conforme o Google Scholar, sua produção científica conta com mais de 16.000 citações e seu índice h é de 71. É fellow da American Chemical Society. Foi professor visitante no Harbin Institute of Technology (China) e na Tokyo Metropolitan University (Japão) em 2011, da Ecole Normale Supérieure Cachan (França) em 2008 e no Chemical Research Promotion Center (Taiwan) em 2007. Recebeu distinções da Japan Society for Promotion of ScienceAmerican Chemical SocietyJapanese Photochemical AssociationNational Science Foundation e University of Florida, entre outras entidades.

Segue uma breve entrevista com o cientista.

Boletim da SBPMat: – Na sua opinião, quais são suas principais contribuições científicas e / ou tecnológicas para o campo dos polieleletrólitos conjugados? Descreva-as brevemente e sinta-se livre para compartilhar algumas referências de seus artigos, patentes ou livros.

Kirk Schanze: – Estamos entre os primeiros grupos a estudar polielectrolitos conjugados, que são polímeros conjugados solúveis em água. Seguem algumas das principais contribuições do nosso grupo para este campo:

a)Nosso laboratório foi o primeiro a reportar a síntese de um poli (fenil etinileno) sulfonato (PPE-SO3) fluorescente e solúvel em água e descrever a aplicação para a detecção fluorescente de íons na água a uma concentração ultrabaixa. [1]

b)Nós fomos os primeiros a reportar o uso de um polieletrólito conjugado fluorescente como sensor para a atividade enzimática, que é uma importante aplicação em biossensoriamento. [2]

c)Nosso laboratório desenvolveu as aplicações de polieletrólitos catiônicos conjugados para detectar a atividade enzimática da fosfatase. Essas enzimas são importantes em vários processos biologicamente significativos. [3,4]

d)Trabalhando em colaboração com o Prof. David Whitten, da Universidade do Novo México, desenvolvemos polieletrólitos catiônicos conjugados como uma nova classe de agentes antibacterianos. [5,6]

Referências:

[1] C. Tan, M. R. Pinto and K. S. Schanze, “Photophysics, Aggregation and Amplified Quenching of a Water-Soluble poly(Phenylene ethynylene)”, Chem. Commun. 2002, 446-447, 10.1039/B109630C.

[2] M. R. Pinto and K. S. Schanze, “Amplified Fluorescence Sensing of Protease Activity with Conjugated Polyelectrolytes”, Proc. Nat. Acad. Sci. USA2004101, 7505, 10.1073/pnas.0402280101.

[3] Zhao, X.; Liu, Y.; Schanze, K. S., “A Conjugated Polyelectrolyte Based Fluorescence Sensor for Pyrophosphate”, Chem. Commun. 2007, 2914-2916, 10.1039/b706629e.

[4] Zhao, X. Y.; Schanze, K. S., “Fluorescent Ratiometric Sensing of Pyrophosphate via Induced Aggregation of a Conjugated Polyelectrolyte”, Chem. Commun. 2010, 46, 6075-6077, 10.1039/c0cc01332c.

[5] Ji, E.; Corbitt, T. S.; Parthasarathy, A.; Schanze, K. S.; Whitten, D. G., “Light and Dark-Activated Biocidal Activity of Conjugated Polyelectrolytes”, ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 2820-2829, 10.1021/am200644g.

[6] 299. Huang, Y.; Pappas, H. C.; Zhang, L.; Wang, S.; Cai, R.; Tan, W.; Wang, S.; Whitten, D. G.; Schanze, K. S., “Selective Imaging and Inactivation of Bacteria over Mammalian Cells by Imidazolium Substituted Polythiophene”, Chem. Mater. 2017, 2017, 29, 6389–6395, 10.1021/acs.chemmater.7b01796.

Boletim da SBPMat: – Você é editor-chefe da ACS Applied Materials & Interfaces desde sua criação, em 2008-2009. Em menos de 10 anos, o periódico atingiu um fator de impacto de 7,504. A que fatores você atribui este bom resultado?

Kirk Schanze: – A ACS Applied Materials & Interfaces (AMI) publica artigos que provêm de uma área de pesquisa de materiais atualmente muito ativa, especificamente materiais / interfaces aplicadas. Há uma grande comunidade de cientistas e engenheiros de todo o mundo que estão trabalhando neste campo. A AMI possui uma comunidade global de editores e membros do conselho editorial que representam suas regiões. Na verdade, o editor mais novo que se juntou ao nosso conselho editorial é o Prof. Osvaldo Oliveira Jr. da Universidade de São Paulo!

Boletim da SBPMat: – Frequentemente vemos artigos da comunidade brasileira de Materiais no ACS Applied Materials & Interfaces. Você poderia compartilhar com nossos leitores alguns números sobre a participação de autores do Brasil no periódico?

Kirk Schanze: – A ACS Applied Materials & Interfaces publicou mais de 100 trabalhos com autores ou co-autores do Brasil. Muitos desses trabalhos foram altamente citados no campo da ciência dos materiais. Exemplos de trabalhos altamente citados são:

-K. Poznyak†, J. Tedim†, L. M. Rodrigues†‡, A. N. Salak†, M. L. Zheludkevich*†, L. F. P. Dick‡ and M. G. S. Ferreira†§  Novel Inorganic Host Layered Double Hydroxides Intercalated with Guest Organic Inhibitors for Anticorrosion Applications, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2009, 1 (10), pp 2353–2362, DOI: 10.1021/am900495r (co-author from Rio Grande do Sul Federal University in Porto Alegre)

-Heberton Wender*†, Adriano F. Feil†, Leonardo B. Diaz†, Camila S. Ribeiro‡, Guilherme J. Machado†, Pedro Migowski§, Daniel E. Weibel‡, Jairton Dupont§, and Sérgio R. Teixeira*† Self-Organized TiO2 Nanotube Arrays: Synthesis by Anodization in an Ionic Liquid and Assessment of Photocatalytic Properties, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3 (4), pp 1359–1365, DOI: 10.1021/am200156d

Boletim da SBPMat: – Deixe um convite para sua palestra plenária.

Kirk Schanze: – Todos são convidados a participar da minha palestra, que irá destacar o nosso trabalho com polieletrólitos conjugados aplicado no campo da química de energia e de biomateriais.

Mais Informações

No site da reunião do XVI B-MRS, clique na foto de Kirk Schanze e veja seu mini CV e o resumo de sua palestra plenária:http://sbpmat.org.br/16encontro/home/

Interviews with plenary speakers of the XV Brazil-MRS Meeting: Anders Hagfeldt (EPFL, Switzerland).


anders-hagfeldtIn the late 1950s, solar cells where used for the first time in artificial satellites. Today, these devices that produce electricity from sunlight thanks to the property of some materials to release electrons when absorbing photons, are part of the energy matrix of many countries, besides being used in all sort of spacecraft. Several technologies based on different materials have been developed to make this sustainable production of electricity. However, research in the area is still very intense. While silicon solar cells dominate the current market, other technologies can compete with silicon in economic and environmental terms.

In a plenary lecture at the XV Brazil-MRS Meeting, Anders Hagfeldt, Professor at École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland, will talk about recent advances on some solar cells technologies that are alternative to the silicon one, in particular those based on perovskite materials and those based on dye sensitized thin films (known as dye-sensitized solar cells, DSSCs). Hagfeldt has been performing research on both types of solar cells, and succeeded in improving their efficiency using different methods and new materials.

Hagfeldt obtained his diploma of Master of Science in Physics and Chemistry from Uppsala University (Sweden) in 1989 and started his doctoral studies in the same university. In 1993, he concluded his PhD with a thesis on microporous and polycrystalline semiconductor electrodes. Then he went to EPFL, in Switzerland, where he was a postdoctoral fellow with Prof. Michael Grätzel, the inventor of the DSSCs.

In 1994 he went back to his alma mater (Uppsala), first as a junior researcher and then as a Professor in Chemical Physics and Physical Chemistry. He was a Visiting Professor at the Royal Institute of Technology (Sweden) from 2005 to 2010, and at the Institute of Materials Research and Engineering (Singapore) from 2008 to 2010. In 2009, he co-founded Dyenamo, a company dedicated to materials and equipment for solar energy applications.

Since 2014, Hagfeldt is a Full Professor of Physical Chemistry at EPFL, where he heads the Laboratory of Photomolecular Science. Besides, he is a Visiting Professor at Uppsala University and Nanyang Technological University (Singapore). He is a member of the European Academy of Sciences, Royal Swedish Academy of Sciences, Royal Society of Sciences in Uppsala, and the Royal Swedish Academy of Engineering Sciences.

Anders Hagfeldt´s was ranked in various international lists of highly cited researchers, such as the Thomson Reuter’s list of the top 1% most cited in Chemistry (2014-2016) and the top-100 material scientists of the past decade by Times Higher Education (2011). In fact, Hagfeldt authored above 400 papers with more than 47.000 citations and has an h-index of 103, according to Google Scholar. Moreover, he is the author of 9 patent applications.

Here follows a short interview with Professor Anders Hagfeldt.

SBPMat newsletter: – Could you state, very briefly, which are the main advantages and disadvantages of the different solar cells technologies, in terms of efficiency, cost and other relevant criteria?

Anders Hagfeldt: – When it comes to different technologies, the very dominant technology has been for long time based on silicon material, the “silicon solar cells”. In terms of market share, I think that around 90% of all solar cells stored in the world are silicon solar cells. They are mainly produced in China. Silicon has always had the advantage of being efficient and very stable, robust, durable. So, you can get, for example, guarantees of lifetime of over 20 years. If you go few years back, it was always said that silicon solar cells were too expensive and that they wouldn´t never be competitive with other energy technologies, such as fossil fuels and so on. However, five years ago, the production volume has increased a lot and the prize has became unexpectedly lower. Actually, silicon solar cells can be considered quite cheap today. Therefore, silicon solar cells are very good. They have good performance at low cost and match the price in kilowatt-hour of other energy technologies such as burning liquid hydrocarbons, for example.

The next class of technology is called “thin-film solar cells”, and it comprises two different materials. One is known as CIGS, that comes from copper indium gallium selenide, which is the material that absorbs sunlight. The other material is cadmium telluride (CdTe). The latter solar cells are manufactured in a big company in the United States called First Solar. Both of these technologies have the promise to be cheaper than silicon technology. They are almost as efficient as silicon: 10% to 15% less efficient. Both materials are disposed in very thin films, so the materials cost is low and, probably, they can be produced cheaper than silicon solar cells. Therefore, the key thing for thin films to be able to compete with silicon is to be a little bit higher in efficiency and scaling up the production.

These are the three main commercially available technologies today. If we go to research activities, the most “hype” at the moment is the perovskite solar cell. It had its breakthrough only four years ago, and during these few four years, it has reached similar efficiencies as thin-film solar cells. That has been the fastest development in solar cells. Perovskite solar cells will probably be cheaper than thin-film solar cells, but they are still in a research stage. The main question mark of perovskite solar cells has been on stability. In that point, we have made some breakthroughs. Two papers of us have been accepted by the Science journal reporting very promising stability data for perovskite solar cells. That is something I will report on the Brazil-MRS Meeting as a key or latest result of perovskite technology. It is very exciting, perovskite solar cells are not fundamentally unstable, they show promising stability. However, there is a lot of work to be done in terms of scaling up and further stability testing and development.

Dye-sensitized solar cells (DSC).
Dye-sensitized solar cells (DSC).

The other technology I will talk about is dye-sensitized solar cells (DSSC), which is also in research or demonstration level. They are lower in efficiency, so, what we look for in that technology today is niche applications. These cells are based on dyes, which means that you can make them in different colors, and use them in windows, buildings and so on. At the moment, DSSC cannot compete with silicon for large scale, but there is interest for buildings, consumer electronics, rechargeable batteries, keyboards and so on.

SBPMat newsletter: – In your opinion, which are the main next challenges in the field of solar cell research and development?

Anders Hagfeldt: – I can divide this answer in two parts.

Firstly, there is still room and it is still important to make solar cells more efficient to lower the cost of the kilowatt-hour produced. There is a kind of dream target I see. This is not really in my expertise, but I listen to more industrial people talking about U.S. dollar cents per kilowatt-hour (how much costs for solar cell to produce a kilowatt-hour). And it seems that now this cost can go down to 4 cents per kilowatt-hour, which is very good, but it could be cheaper. People say that it can go down to 2 cents per kilowatt-hour. The best thing you can do today to lower the cost per kilowatt-hour of solar cells is to try to increase their efficiency. That is where you see the potential of the perovskite solar cells, because they have had such a fast development and they are already at the same level of established technologies. It seems promising that these perovskite solar cells can show even higher efficiencies than the silicon ones. That is a big challenge but I think it is not impossible.

The second thing is that solar cells is intermittent, that means that they only produce electricity when there is sunshine. During nights and evenings, this is a problem. I come from Sweden that is a country where more electricity is needed when there is less sunshine. That means that you also have to find the storage for electricity.

These key challenges are not for solar cell itself, but for the whole picture of solar energy.

More and more solar cells are being used to produce electricity, but that creates problems to the utility grid, because there can be too much electricity when it is sunny day and too little when it is not sunshine. Therefore, we need to work on storage. I think that for small scale, batteries are interesting, but for larger scale, we need to find how to produce fuel from sunlight or from the electricity produced. And that can be hydrogen, that is something people look into a lot, but also for example methanol.

SBPMat newsletter: – Leave an invitation for our readers to attend your plenary lecture “The Versatility of Mesoscopic Solar Cells”.

Anders Hagfeldt: – I am very happy to go to Brazil. I have been around before, some years back, but I am very excited to meet new people to discuss our research at the meeting. Everyone will be very welcome and I will be very happy to discuss all kind of ideas and questions.

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Link to the abstract of Anders Hagfeldt´s plenary lecture at the XV Brazil-MRS Meeting: http://sbpmat.org.br/15encontro/speakers/abstracts/9.pdf

Artigo em destaque: Contribuição analítica à energia sustentável.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Influence of charge carriers mobility and lifetime on the performance of bulk heterojunction organic solar cells. D.J. Coutinho, G.C. Faria, D.T. Balogh, R.M. Faria. Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 143, Pages 503-509 (December 2015). DOI:10.1016/j.solmat.2015.07.047

Contribuição analítica à energia sustentável

Um trabalho totalmente desenvolvido no Instituto de Física de São Carlos, da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) fez contribuições significativas à análise do desempenho de células solares orgânicas, dispositivos capazes de transformar em eletricidade a luz do sol, que é uma fonte de energia renovável, limpa, segura e praticamente inesgotável. Resultados do estudo foram recentemente publicados no periódico Solar Energy Materials & Solar Cells, cujo fator de impacto é de 5,337.

Composição da célula solar de heterojunção de volume utilizada nos experimentos reportados no artigo. Na camada ativa, a configuração dos materiais aceitador (azul) e doador (vermelho) de elétrons.

Com estrutura análoga à de um sanduíche, a célula solar orgânica é composta por camadas de espessura nanométrica feitas de diversos materiais que cumprem funções específicas no dispositivo.

A chamada “camada ativa”, aquela que protagoniza as principais etapas da transformação da luz (fluxo de fótons) em corrente elétrica (fluxo de partículas com carga elétrica), é feita de materiais orgânicos (suas moléculas possuem átomos de carbono) semicondutores. Na rede de átomos dos semicondutores tradicionais, os elétrons situados na chamada “banda de valência” pulam de seus estados quando absorvem fótons, deixando vagas chamadas “buracos” (holes) e ocupando novos lugares na chamada “banda de condução”. Nos semicondutores orgânicos, o mecanismo de geração dos pares elétron-buraco é semelhante, com a diferença de que, em vez da transição direta de uma banda para outra, ocorre a formação do éxciton molecular (um sistema contendo uma carga negativa e uma positiva), que se dissocia com facilidade produzindo as cargas livres (elétrons e buracos).

Para que aconteça a etapa seguinte na conversão de luz em eletricidade, a camada ativa das células solares orgânicas deve possuir muitas regiões de interface entre dois tipos de materiais: o doador e o aceitador de elétrons (geralmente um polímero eletrônico e um derivado do fulereno, respectivamente). Se o éxciton, em sua vida de alguns picossegundos, consegue chegar até alguma região de interface, as forças que mantém elétron e buraco unidos são quebradas para que aconteça a doação do elétron pelo polímero ao fulereno. Nesse momento, não havendo armadilhas no caminho que impeçam seu movimento, elétrons e buracos fluem em direções opostas, atraídos e coletados por elementos eletrodos, gerando corrente elétrica que poderá ser utilizada em um circuito externo.

Nessa sucessão de etapas, perdas de eficiência na conversão de energia solar em elétrica podem acontecer devido a diversos fatores. Um exemplo é a recombinação de elétrons e buracos depois da dissociação do éxciton, a qual impede que esses transportadores de cargas fluam livremente. Outro exemplo é o dos defeitos ou impurezas em materiais da camada ativa, que agem como armadilhas dos transportadores de cargas, diminuindo sua mobilidade.

No artigo publicado na Solar Energy Materials and Solar Cells, são reportados os resultados de uma série de experimentos realizados com o objetivo de estudar em detalhe a mobilidade e tempo de vida de portadores de cargas (elétrons e buracos) em função da temperatura, numa célula solar orgânica de heterojunção de volume, fabricada no IFSC. Nesse tipo de dispositivo, o material doador de elétrons e o aceitador convivem numa configuração particular (um filme nanométrico de estrutura bifásica) que aumenta a área de interface entre os dois materiais com relação a outras possíveis configurações.

Os autores também apresentam no artigo os resultados de medidas de corrente elétrica em função da tensão externa aplicada (J-V) sob iluminação – um dos experimentos mais relevantes na caracterização de células solares. De fato, esse experimento é necessário para calcular a eficiência de uma célula solar.

Célula solar orgânica durante caracterização elétrica sob iluminação artificial equivalente a um sol. No protótipo da figura acima, em uma placa de 5 X 5 cm, cinco dispositivos são ligados em série produzindo aproximadamente 2V no total. A eficiência individual de cada dispositivo deste estudo é em torno de 4%.

Para ajustar e analisar os resultados experimentais, os autores desenvolveram um modelo baseado num conjunto de equações. O modelo veio preencher uma lacuna na literatura científica, já que, até sua publicação, essas análises eram feitas a partir de aproximações, sendo imprecisas, ou por meio de métodos numéricos, que exigem árduo e demorado trabalho.

“Não existe ainda hoje uma descrição formal para a curva J-V”, comenta Roberto Mendonça Faria, professor titular do IFSC-USP e autor correspondente do paper. “Nosso artigo teve o mérito de elaborar uma expressão analítica para J-V que reproduz com sucesso as características de uma célula solar orgânica para o caso em que as mobilidades dos portadores positivos e negativos são iguais”, destaca ele, acrescentando que, com essa expressão, é possível fazer uma análise mais precisa do desempenho das células, mesmo para casos onde as mobilidades de elétrons e buracos não sejam exatamente iguais.

À esquerda, Roberto Mendonça Faria (último autor do artigo) e, à direita , Douglas José Coutinho (primeiro autor).

O artigo também apresenta as análises que a equipe do IFSC conseguiu fazer a partir dos resultados experimentais e do modelo, principalmente a respeito de alguns fatores que levam a perdas de eficiência na conversão de luz em eletricidade.

Dessa maneira, os autores do artigo fizeram uma contribuição ao desafio de produzir energia de modo sustentável. “A produção de energia é vital para que a sociedade humana continue seu progresso econômico e social, mas não pode continuar com seus efeitos secundários, e terríveis, de poluir o planeta e contribuir ao efeito do aquecimento global”, afirma Faria.

Os resultados reportados no artigo fazem parte das pesquisas de mestrado e doutorado de Douglas José Coutinho, realizadas com orientação do professor Faria e com financiamento das agências brasileiras de apoio à pesquisa FAPESP e CNPq (inclusive por meio do INCT de Eletrônica Orgânica, INEO).