Fibras de nanotubos

En un laboratorio de la Universidad de Rice, una fibra negra del diámetro de un cabello humano se enrolla en un vaso de precipitados de éter. Formada por nanotubos puros, la hebra es la culminación de casi una década de experimentación. El ingeniero químico Matteo Pasquali y sus colegas han hilado nanotubos en fibras de varios cientos de metros de largo, lo que demuestra que se pueden desarrollar técnicas de fabricación comercialmente útiles para producir materiales a macroescala a partir de estas moléculas cilíndricas de carbono puro.

El ingeniero químico Matteo Pasquali, que convierte nanotubos de carbono en fibras en su laboratorio de la Universidad Rice en Houston.

Convertir nanotubos de carbono en fibras fue un sueño particular del fallecido profesor de Rice, Richard Smalley, quien compartió el Premio Nobel de Química de 1996 por su descubrimiento de las moléculas esféricas de carbono llamadas buckyballs. Los nanotubos individuales tienen propiedades notables: son livianos, fuertes y pueden ser conductores de electricidad. Pero ensamblarlos en grandes estructuras con estas propiedades ha sido difícil.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2010

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En 2001, Smalley comenzó a intentar utilizar el procesamiento de líquidos para convertir nanotubos de carbono en fibras que retuvieran las propiedades eléctricas y mecánicas de los tubos a lo largo de kilómetros, una idea que, admitió, era realmente extrema de locura. (ver Wires of Wonder, marzo de 2001) . Tales fibras serían más fuertes que el acero y más conductoras que el cobre. Smalley los imaginó tejidos en cables que podrían transportar electricidad de manera eficiente desde granjas eólicas y solares remotas a áreas pobladas, sin perder energía para calentar. Pasquali, quien formó parte del proyecto desde el principio y asumió el mando después de la muerte de Smalley en 2005, reconoce que comenzó como un escéptico. Pensé que era una completa locura, porque los nanotubos de carbono no son solubles en fluidos, y yo soy un tipo fluido, dice.

Otros investigadores han fabricado fibras a macroescala a partir de nanotubos secos, sacándolas de matrices verticales o haciéndolas girar como si fueran lana a medida que emergen de un reactor. Pero los nanotubos individuales de estas fibras no se alinean, y la alineación adecuada es fundamental: las masas enredadas de las moléculas no transportan bien la electricidad y no son fuertes. Pasquali sabía que los nanotubos puestos en solución se alinearían como troncos flotando en un río, dando como resultado fibras bien ordenadas.

El grupo tuvo un gran avance en 2004, cuando razonaron que los métodos utilizados para fabricar fibras de Kevlar, un componente de los chalecos antibalas, también podrían funcionar con nanotubos. Como los nanotubos, el polímero de Kevlar es largo, delgado y difícil de disolver en solución; las fibras se fabrican mezclando el polímero con ácido sulfúrico y luego inyectando la solución a través de agujas agrupadas como los orificios de un cabezal de ducha.

Los investigadores de Rice lograron disolver solo pequeñas cantidades de nanotubos usando ácido sulfúrico. Pero cuando usaban ácido clorosulfónico, un llamado superácido, podían disolver altas concentraciones de nanotubos. Los tubos forman un cristal líquido, en el que ya están alineados, una gran ventaja para convertirlos en fibras.

Girando una línea

El grupo de Pasquali comienza su proceso de hilado con nanotubos de pared simple fabricados en un laboratorio cercano utilizando un proceso desarrollado originalmente por Smalley. En un reactor de alta presión donde las temperaturas alcanzan los 1000 ° C, el monóxido de carbono se posa en gotitas de catalizador de hierro puro y se descompone. Los átomos de carbono se acumulan en cilindros huecos de un nanómetro de diámetro y unos cientos de nanómetros de largo. Estos nanotubos emergen del reactor en mullidas corrientes negras; se guardan en cubos de cinco galones apilados hasta el techo, cada uno con solo 200 gramos.

Los nanotubos fabricados en este reactor contienen trazas de hierro que deben eliminarse antes de que los tubos puedan convertirse en fibras. El estudiante de posgrado Colin Young llena una cámara de vidrio con nanotubos que han sido tratados con oxígeno en un horno para oxidar el hierro y hacerlo soluble. Dentro de una campana extractora, fija la cámara sobre un frasco de ácido clorhídrico. Enciende un bloque calefactor debajo del ácido para hervirlo. A medida que se condensa y gotea sobre los nanotubos, el ácido disuelve el hierro; los tubos se dejan intactos.

Después de su ducha ácida, el estudiante graduado Natnael Behabtu carga los nanotubos y el ácido clorosulfónico en un tubo de acero inoxidable equipado con pistones que frotan los nanotubos uniformemente en una sola dirección para animarlos a alinearse. La solución viscosa resultante es un 8 por ciento en peso de nanotubos de cristal líquido.

Luego separa la mitad de la recámara, y uno de los pistones con ella, y la reemplaza con una parte que ha sido equipada con una aguja giratoria. El pistón empuja el líquido a través de un filtro de vidrio (que evita la obstrucción), dentro de la aguja y hacia afuera en un baño de espera de éter dietílico. El ácido es soluble en el éter, pero los nanotubos no, por lo que el resultado es una fibra de nanotubos pura, de 50 a 100 micrómetros de diámetro y muchos metros de largo.

Midiendo

Para medir la resistencia a la tracción de las fibras, Young usa pegamento para pegar un trozo corto de fibra en un marco de cartón. Él sujeta esto en las prensas de metal de un probador de tensión, corta el marco y tira de la fibra de cada extremo hasta que se rompe. Actualmente, las fibras pueden soportar alrededor de 350 megapascales de presión antes de fallar, un poco menos que un cabello humano, que se considera bastante fuerte para su diámetro.

La fuerza de las fibras depende de la fricción generada donde interactúan las superficies de los nanotubos. Los nanotubos más largos generan más fricción y, por lo tanto, fibras más fuertes. Los nanotubos de Rice, que Pasquali usa por conveniencia, son relativamente cortos. Pero está explorando asociaciones con empresas de hilatura de fibras y fabricantes de nanotubos de carbono que puedan proporcionar experiencia adicional en hilatura y nanotubos más largos. Pasquali espera finalmente aumentar la resistencia a la tracción de las fibras más de diez veces.

Todavía hay un obstáculo importante para hacer realidad el sueño de Smalley de usar nanotubos para rehacer la red eléctrica. Las fibras de Pasquali tienen una resistencia eléctrica de 120 microohmios por centímetro, unas ocho veces mayor que la de los cables de cobre. La razón es que todos los métodos para cultivar nanotubos dan como resultado una combinación de versiones conductoras y semiconductoras. Para que las fibras de nanotubos transporten suficiente corriente para desplazar el cobre, deberían estar compuestas en su totalidad por nanotubos conductores. El grupo Rice planea fabricar fibras a partir de nanotubos conductores separados de los tubos no conductores para determinar si tales conductividades son posibles. Pero el proceso de clasificación actual hace que los nanotubos sean demasiado caros para su uso en la transmisión eléctrica.

Pasquali sigue siendo optimista, sin embargo, de que este segundo desafío se superará, al igual que resolvió el problema de convertir nanotubos en fibras largas. Y está seguro de que, cuando lo sea, los cables de nanotubos ligeros y resistentes pueden reemplazar por fin a los cables de aluminio reforzados con acero, pesados ​​e ineficaces, que se utilizan en la red eléctrica actual, tal como lo imaginaba Smalley.

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