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Fibras de nanotubos de carbono superfuertes
Los nanotubos de carbono hilados para formar fibras largas similares a hilos podrían superar incluso a los materiales a prueba de balas más fuertes del mercado, pero convertir los nanotubos en tales materiales ha demostrado ser un desafío. Ahora los investigadores dicen que han mejorado el método de fabricación de las fibras: pueden sacarlas de un horno caliente más rápido, hacer que los nanotubos se alineen mejor y mejorar enormemente su resistencia. Si bien las fibras de nanotubos de carbono todavía se pueden fabricar solo en lotes pequeños, y solo en longitudes cortas, dicen los expertos, las fibras son muy prometedoras para materiales ultrafuertes y elásticos, con posibles aplicaciones desde armaduras corporales hasta perforaciones petrolíferas.
Nano orden: Los investigadores han mejorado las técnicas para hilar fibras de nanotubos de carbono: hacen que los nanotubos se alineen en la fibra, creando fibras tan fuertes o más fuertes que materiales como el Kevlar que se utilizan en los chalecos antibalas. Además, las fibras de nanotubos, a diferencia de las cuerdas normales, se pueden anudar sin dañar mucho su resistencia.
Los nanotubos de carbono son moléculas de carbono en forma de tubería con paredes de solo un átomo de espesor. Son extremadamente fuertes, conductores de electricidad y difíciles de fabricar de manera confiable. Muchos grupos de investigación se han esforzado por crear nanotubos de carbono más largos y convertirlos en hebras más largas que podrían usarse para telas resistentes e incluso líneas eléctricas eficientes. (Ver 10 tecnologías emergentes).
Alan Windle, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, fabricó y probó las nuevas fibras de nanotubos junto con investigadores del Centro de Desarrollo de Investigación Natick Soldier, en Massachusetts. Windle y sus colegas tiraron de las fibras de nanotubos y descubrieron que las más débiles se rompían con tensiones de alrededor de un gigapascal, lo que las hacía comparables al acero, gramo por gramo.
Las fibras de nanotubos de carbono de mejor rendimiento se rompieron en alrededor de seis gigapascales, superando las fortalezas que informan los fabricantes para los materiales utilizados en los chalecos antibalas, como el Kevlar. Estas fibras de nanotubos coincidieron con las resistencias más altas reportadas para un par de las fibras más fuertes disponibles comercialmente, Zylon y Dyneema, también utilizadas en chalecos antibalas. Una única fibra de nanotubos extremadamente fuerte estaba fuera de serie, alcanzando nueve gigapascales de tensión, mucho más que cualquier otro material reportado, antes de romperse. El trabajo anterior con nanotubos de carbono ha producido fibras que soportan como máximo tres gigapascales.
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Vea cómo los nanotubos de carbono se hilan en fibra ultrafuerte.
Estamos satisfechos con los resultados, pero no diría que nos sorprenda, dice Windle. Se sabe que las propiedades de los nanotubos individuales siguen siendo cinco veces mejores. Agrega: Esto me hace optimista. Todavía hay mucho margen de mejora.
Para fabricar las fibras, los investigadores utilizaron un método iniciado por el grupo de Windle en 2004 en el que un horno vaporiza carbono y expulsa una corriente de nanotubos. Cuando estos nanotubos de carbono se capturan en el aire y se hacen girar alrededor de un carrete, forman una fibra compuesta por miles de millones de moléculas alineadas a lo largo del nanotubo.
Al ajustar la temperatura del horno y ajustar la rapidez con que enrollan la fibra, los investigadores optimizaron el proceso, haciendo que las fibras sean 0.3 veces más fuertes que las que han hecho otros grupos. Los investigadores informan que la mejora se debe en gran parte a que, con un bobinado más rápido, los nanotubos se alinean mejor y se compactan con más fuerza. También agregaron un paso para hacer que las fibras sean más densas. El equipo pasó las fibras a través de gas acetona, que se condensó en las fibras, formando un líquido. Hay un efecto de tensión superficial que une a los nanotubos, lo que aumenta su fuerza, dice Windle.
La aplicación más directa es para chalecos antibalas, dice. Parece prometedor en comparación con las fibras disponibles comercialmente. Pero nadie lo sabrá realmente si funcionará o no para las armaduras corporales hasta que produzcamos suficiente fibra para hacer una tela y dispararle una bala, dice Windle. Un estudio reciente de modelado por computadora sugiere que las balas rebotarían en una tela de nanotubos de carbono de solo seis capas de espesor.
Edwin Thomas, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, dice que si las pruebas demostraron que esa tela realmente repele las balas, tienes un asombroso y pronto estará en una armadura corporal. Pero los materiales a menudo no se adaptan bien cuando son golpeados por fuerzas repentinas en lugar de un tirón más lento, agrega. Nadie sabe acerca de los nanotubos de carbono a altas tasas de tensión, porque nadie lo ha comprobado.
Otra aplicación podría ser la extracción de petróleo. Dado que las fibras de nanotubos de carbono no solo son fuertes, sino que también resisten el calor y la corrosión, podrían usarse en brocas o tuberías para hacer frente a estos entornos extremos, dice Thomas.
Thomas advierte, sin embargo, que Windle y sus colegas obtuvieron sus mejores resultados con fibras de aproximadamente un milímetro de largo, aparentemente porque cuanto más larga es la hebra, es más probable que contenga pequeños trozos de carbono y otros defectos que la debiliten. Ajustar el procesamiento, la velocidad de enrollado y el tratamiento con acetona, no va a cambiar las partículas carbonosas, dice Thomas. Tienen que volver a la síntesis química para abordar eso.
Para que el ejército se interese en él, querrían tener kilómetros de él, dice. No obstante, los nuevos resultados le dan mucha esperanza.