El laboratorio de Rice University hace el caso positivo para el uso en la industria de las fibras de nanotubos de carbono de alto rendimiento.
Mike Williams
Las fibras de nanotubo de carbono elaboradas en la universidad Rice University son ahora más fuertes que la fibras de Kevlar y se están acercando a la conductividad del cobre.
El señor Matteo Pasquali, ingeniero biomolecular y del laboratorio químico de Rice reporta en Carbono que se están fabricando fibras de carbono que son las más fuertes y conductivas desarrolladas hasta la fecha, y las cuales se elaboran usando largos nanotubos de carbono procesados a través de un proceso de hilatura en húmedo.
En este nuevo estudio conducido por Lauren Taylor y Oliver Dewey, estudiantes graduados de Rice, los investigadores estudiaron avances en las fibras de nanotubo de carbono hiladas en húmedo, lo que podría llevar a desarrollos en una serie de aplicaciones médicas y materiales; y que han doblado su resistencia y conductividad cada tres años, una tendencia que se ha extendido durante casi dos décadas.
Aunque esto nunca podría imitar la llamada Ley de Moore, que se usó como una marca de los avances de los chips de computador durante décadas, Pasquali y su equipo están haciendo un gran esfuerzo para avanzar el método del que ellos han sido los pioneros para fabricar fibras de nanotubo de carbono.
Las fibras parecidas a hilo elaboradas en el laboratorio, con decenas de millones de nanotubos en la sección transversal, están siendo estudiadas para su uso como puentes para reparar corazones dañados, como interconecciones eléctricas con el cerebro, para uso en implantes de la cóclea de los ojos, como antenas flexibles, y para aplicaciones automotrices y aeroespaciales.
También forman parte del Carbon Hub (Centro del Carbono), una iniciativa de investigación en la que participan muchas universidades y que fue lanzada en el 2019 por Rice con el apoyo de Shell, Prysmian y Mitsubishi para crear un futuro libre de emisiones.
“Las fibras de nanotubo de carbono se han considerado durante mucho tiempo por el potencial de sus propiedades superiores”, dijo Pasquali. “Dos décadas de investigación en Rice y en otras partes han hecho que este potencial se convierta en realidad. Ahora necesitamos un esfuerzo global para incrementar la eficiencia de la producción, de manera que estos materiales se puedan fabricar con cero emisiones de dióxido de carbono, y potencialmente con una producción concurrente de hidrógeno limpio”.
“La meta de este estudio es la de presentar las propiedades récord de las fibras producidas en nuestro laboratorio”, dijo Taylor. “Estas mejoras significan que ahora estamos superando al Kevlar en términos de resistencia, lo que para nosotros es realmente un gran logro. Con justamente otra doblez, podríamos superar a las fibras más fuertes en el mercado”.
Las fibras flexibles elaboradas en Rice tienen una resistencia a la tensión de 4.2 gigapascals (GPa), en comparación con 3.6 GPa de las fibras Kevlar. Las fibras requieren nanotubos largos con alta cristalinidad; o sea arreglos regulares de anillos de átomos de carbono con pocos defectos. La solución acídica usada en el proceso en Rice ayuda también a reducir las impurezas que pueden interferir con la resistencia de la fibra y mejoran las propiedades metálicas de los nanotubos a través del “doping” residual, dijo Dewey.
“La longitud, o relación del aspecto, de los nanotubos es la característica que define y que acciona las propiedades de nuestras fibras”, añadió Dewey, señalando que el área superficial de los nanotubos de 12 micrometros usados en las fibras en Rice facilita obtener mejores adhesiones tipo van der Waals.
“También es de gran ayuda el hecho de que los colaboradores que crecen nuestros nanotubos optimizan el procesamiento de la solución al controlar el número de impurezas metálicas de los catalizadores y lo que llamamos impurezas amorfas de carbono”.
Los investigadores dicen que la conductividad de las fibras ha mejorado a 10.9 megasiemens (millón de siemens) por metro. “Esta es la primera vez que una fibra de nanotubo de carbono ha sobrepasado la meta de 10 megasiemens, de modo que hemos logrado un nuevo orden de magnitud para las fibras de nanotubo”, dijo Dewey. Al ser normalizadas por peso, agregó Dewey, las fibras hechas en Rice han alcanzado alrededor de un 80% de la conductividad del cobre.
“Pero hemos sobrepasado a los alambres de platino, lo que es un gran logro para nosotros”, dijo Taylor, “y la conductividad termal de la fibra es mejor que la de cualquier otro metal y cualquier fibra sintética, con la excepción de las fibras de grafito pitch”.
La meta del laboratorio es la de hacer que la producción de fibras superiores sea lo suficientemente eficiente y económica para que se pueda incorporar a la industria en gran escala, señaló Dewey. El procesamiento de la solución es común en la producción de otras clases de fibras, incluyendo Kevlar, de modo que las fábricas podrían usar procesos familiares sin cambios o re-equipados mayores.
“El beneficio de nuestro método es que es esencialmente enchuflado y listo para su uso”, dijo Dewey. “Se puede incrementar de manera inherente y se acomoda con la manera en que se fabrican las fibras sintéticas hoy en día”.
“Existe la noción de que los nanotubos de carbono nunca van a ser capaces de obtener todas las propiedades que la gente ha estado esperando durante décadas”, declaró Taylor. “Pero hemos logrado grandes avances año tras año. No es fácil, pero todavía creemos que esta tecnología va a cambiar al mundo”.
Los co-autores del estudio son alumnos de Rice, incluyendo a Robert Headrick; los estudiantes graduados Natsumi Komatsu y Nicolás Márquez Peraca; Geoff Wehmeyer, profesor asistente de ingeniería mecánica; y Junichiro Kono, Profesor Karl F. Hasselmann en Ingeniería, así como también profesor de ingeniería eléctrica y de computadores, de física y astronomía, y de ciencia de materiales y nanoingeniería.
Pasquali es el Profesor A.J. Hartsook de Química e Ingeniería Biomolecular, así como de química y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Esta investigación contó también con el apoyo de la Oficina de la Fuerza Aérea de EE.UU. para la Investigación Científica; la Fundación Robert A. Welch; la Oficina de Manufactura Avanzada del Departamento de Energía; y los Proyectos de Investigación Avanzada de la Agencia-Energía.
Nota del Editor: Mike Williams es un experimentado especialista en relaciones con los medios de comunicación de la Oficina de Asuntos Públicos de la Universidad Rice.
Enero-Febrero de 2021
