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Hilado de nano hilados
Muchas tecnologías importantes, desde los electrodos de batería y los cables superconductores hasta los catalizadores en las pilas de combustible, se basan en materiales que contienen partículas en polvo, que pueden ser difíciles de manejar. Ahora, en una hazaña que podría simplificar la producción de muchas de estas tecnologías y podría señalar el camino hacia algunas nuevas y radicales, los investigadores de la Universidad de Texas han demostrado una forma de hilar hilos a partir de nanotubos infundidos con materiales útiles en polvo.
Telar nano: Las redes de nanotubos de carbono se tiran y se retuercen para hacer hilos. Las cuatro redes aquí miden 5,5 centímetros de ancho.
Los investigadores han utilizado el método para fabricar tiras de hilo que funcionan como un electrodo de batería, otras con propiedades superconductoras e hilos autolimpiantes.
Los polvos son materiales funcionales muy importantes porque tienen una superficie muy alta, dice Ray Baughman , quien dirige el Instituto MacDiarmid NanoTech de la Universidad de Texas en Dallas. El problema es que los polvos sin forma son difíciles de usar.
Los electrodos de batería de iones de litio, por ejemplo, aprovechan la gran superficie de los polvos para lograr una mayor densidad de almacenamiento. Pero, por lo general, los polvos deben mantenerse unidos mediante aglutinantes que añaden peso y solidez, o deben sinterizarse juntos en estructuras sólidas, cuyos procesos son complicados.
Baughman dice que la tecnología desarrollada por su grupo debería facilitar el trabajo con una amplia gama de materiales en polvo. Puede tomar casi cualquier polvo y hacer un hilo para coser, tricotar, anudar y trenzar, dice.
Los investigadores comienzan cultivando un bosque de nanotubos de carbono alineados verticalmente en un reactor químico. Luego, arrastran un rodillo sobre los nanotubos, que se separan de la superficie y se enredan en una cinta larga y elástica, la llamada red de nanotubos. Estas redes, ha descubierto el equipo de Baughman, pueden actuar como hospedadores de nanopartículas y polvos. Los investigadores rocían la superficie de la telaraña con el polvo y luego lo tuercen en un hilo. El polvo está confinado dentro de las espirales de la red de nanotubos. Cuando lo lavas, se retiene casi todo el polvo, dice. Los hilos resultantes pueden ser de un 95 a un 99 por ciento de polvo en peso.
El grupo de Baughman utilizó una mezcla de boro en polvo y magnesio para hacer hilos superconductores mediante un proceso simple. El proceso convencional para hacer alambres superconductores implica empaquetar los polvos en tubos de cobre y calentarlos y estirarlos decenas de veces para estirarlos en alambres. Pero los hilos superconductores se calientan solo una vez para recocer los polvos y formar un hilo superconductor.
Los polvos conservan las propiedades que los hacen tan útiles, dice Matteo Pasquali , profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Rice, que no participó en el trabajo. El método de Baughman consiste esencialmente en convertir partículas en fibras, dice. Los productos químicos pueden entrar y salir fácilmente de los escasos nanotubos e interactuar con la superficie de las partículas atrapadas en el interior.
Pasquali encabeza un proyecto en Rice destinado a fabricar fibras de nanotubos de carbono que son muy densas y, por lo tanto, muy fuertes y conductoras. Estas fibras de nanotubos puros podrían eventualmente usarse como cables de transmisión eléctrica de baja pérdida o en materiales estructurales súper fuertes. Una vez que tiene una fibra, puede tejerla, ponerla en un polímero [como fibra de vidrio] o hacer una tela, dice Pasquali, quien señala que el procesamiento textil es de costo relativamente bajo.
El equipo de Baughman fabricó una tela de electrodos de batería utilizando polvos de fosfato de hierro y litio. La tela es casi un 99 por ciento de material activo, por lo que podría usarse para fabricar baterías livianas.
Y, por supuesto, una vez que algo se puede convertir en una tela, también se puede usar.
Yi Cui , profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, también está desarrollando dispositivos de almacenamiento de energía basados en textiles. Él cree que las fuentes de alimentación portátiles algún día podrían alimentar los dispositivos de uso diario. Las cualidades importantes son el costo, el peso y la capacidad de cargar y descargar rápidamente, y los electrodos textiles parecen ser ideales en estos aspectos. Pero es poco probable que escalen bien para aplicaciones que requieren una alta capacidad total de almacenamiento de energía, como baterías para autos eléctricos.
Los investigadores de la Universidad de Texas planean llevar el proyecto en varias direcciones. Además de probar diferentes polvos, están experimentando con diferentes formas de depositarlos.
Algún día, los hilos podrían usarse para producir grandes cantidades de material para la fabricación de estructuras. En este momento es más sensato hablar de baterías, no de alas de avión, debido al tonelaje [de materiales] requerido, dice Baughman. Su grupo está trabajando con algunas empresas para desarrollar aún más los hilos, incluido el fabricante de productos químicos. Lintech y fabricante textil de nanotubos de carbono Nanocomp .