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100 veces más fuertes que el acero son materiales fascinantes que podrían * canalizar * un caleidoscopio
de tecnologías futuristas. A menudo son aclamados como un * conducto * clave para una transición rápida
hacia un futuro energético sin emisiones de carbono. Sin embargo, si bien estos pequeños tubos basados ​​en grafeno se han
exagerado como revolucionarios durante unos 30 años, aún no han llegado al mercado. Pero
estamos viendo un progreso lento hacia casos de uso interesantes, como un avance reciente que
podría convertir los CNT en * material caliente * para generar electricidad limpia a partir del calor residual. Revisemos los
nanotubos de carbono y veamos cómo van tomando forma las cosas.
Soy Matt Ferrell ... bienvenido a Indeciso.
Hace aproximadamente un año cubrí cómo los nanotubos de carbono podrían impulsar la energía solar en otro
video, así que pensé que era un buen momento para retomar el tema. Y no soy un científico,
pero me gusta ver estas tecnologías desde una perspectiva más amplia, cómo pueden afectar nuestras vidas
y si realmente están llegando al mercado. Sé que probablemente hayas escuchado muchas promesas
sobre el grafeno y los nanotubos de carbono que aún no se han cumplido, pero los investigadores están desatando
nuevas vías para * canalizar * su fenomenal potencial, así como para encontrar formas de mejorar
su fabricación. Y es ese último punto el que es uno de los mayores puntos
conflictivos con los CNT.
Refresquemos su memoria * y la mía también * sobre lo que se supone que es el * grial hueco *
del campo de la nanotecnología. Aunque los CNT se observaron por primera vez
a fines de la década de 1950, formados por dos capas de grafeno. No son exactamente nombres pegadizos, pero sí muy
precisos.
Desde que Iijima les dio vida, los CNT se han asociado con un sinfín de aplicaciones fantásticas.
Como un ascensor espacial para nombrar la predicción más * que hay *. Sin embargo, la promesa
* astronómica * nunca se ha cumplido. Una razón de esto es que cuando intenta
convertir los CNT en fibras largas, su fuerza excepcional se reduce 100 veces. Ahora, obviamente, tengo
dudas sobre si las CNT alguna vez nos llevarán al espacio, pero ciertamente pueden conducir
electricidad. Eso es porque cada átomo de carbono tiene un electrón de repuesto que no puede esperar para
fluir. Si bien la conductividad de los MWCNT no se ve afectada por la geometría del material, los SWCNT
pueden tener un comportamiento metálico o semiconductor en función de la forma en que se retuerce la capa de grafeno,
también conocido como ángulo quiral. Como resultado, puede terminar con una
configuración más o menos conductora por diseño, como sillón, zig-zag y nanotubos quirales. Una vez más, te deben
encantar los nombres ... ¿sillón? De todos modos, los CNT con estructura de sillón son similares a los
metales desde el punto de vista eléctrico. Por eso son el foco para la fabricación de cables de alimentación.
Pero el desafío es poder fabricar estos nanocables el mayor tiempo posible.
En 2014, después de años de trabajo de laboratorio, los investigadores de la Universidad de Rice * tejieron * nanotubos en
una fibra que transportaba 4 veces más corriente que el cobre. Al llenar un cable, estos cables DWCNT de sillón
pueden transferir energía a distancias más largas al mismo tiempo que mantienen pérdidas más bajas en comparación
con el cobre. Puede ver por qué su ampliación podría hacer que nuestra red sea mucho más eficiente.
Pero tenemos un problema * macro *. Es muy difícil producir en masa CNT puros de sillón, a
lo que llegaré en un minuto.
Además de mejorar potencialmente las redes, los investigadores han abierto recientemente un nuevo * hilo * para los
CNT: aprovechar al máximo el calor residual. Piense en fuentes como paneles solares o
plantas de energía .
Pero antes de entrar en ese avance de los nanotubos de carbono ... hablemos de otro
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Ahora volvamos al avance de los nanotubos de carbono caliente ...
Según la Agencia de Información Energética de EE. UU., Más del 60% de la energía utilizada para generar
electricidad en Estados Unidos se pierde en forma de calor. Bueno, aparentemente los CNT pueden ser una buena opción para recuperar
esta energía térmica no utilizada y reciclarla en electricidad renovable. Y parece
haber un * hilo conductor * en los innovadores aquí. Una vez más, Rice University. Después de mejorar los
cables de alimentación, los científicos de Rice utilizaron SWCNT ... espera, ¿científicos de arroz? Creo que eso es
algo completamente diferente ... Los científicos de la Universidad de Rice utilizaron SWCNT para fabricar un dispositivo de calor residual a energía
. Básicamente, diseñaron una película de nanotubos de carbono que contiene cavidades que atrapan
el calor infrarrojo del sol y reducen su ancho de banda. Al hacerlo, emiten
fotones, que se pueden convertir de manera eficiente en electricidad. Los investigadores afirman que la integración de
su dispositivo de recuperación de calor dentro de los paneles solares aumentaría su eficiencia hasta en un 80%. En comparación
con los paneles solares disponibles en el mercado hoy en día, que no superan el 23%, eso suena
dramático. Pero necesitaría compararlos con las eficiencias en otras pruebas de
células solares de laboratorio , que están alrededor del 50%. Por lo tanto, esta afirmación aún debe ser examinada y
salir del laboratorio.
Solo en agosto, los investigadores de la Universidad de Rice renovaron sus habilidades de sastrería y lanzaron
su última colección tubular ... un textil que contiene CNT que convierte el calor en electricidad.
Esto podría establecer una nueva tendencia de moda en el mundo de la energía verde. Al ponerse sus
sombreros de modista , los científicos han utilizado una máquina de coser para fabricar una tela elegante con fibras DWCNT.
Resulta que este vestido tubular es un generador termoeléctrico. Básicamente, puede convertir la luz solar
y otras fuentes de calor en electricidad. Durante un experimento de laboratorio, creado conjuntamente por la
Universidad Metropolitana de Tokio y el Centro de Carbono de la Universidad Rice, esta tela * sobrealimentada * utilizó
el calor de una placa calefactora para encender una luz LED. Puede que no le parezca un
logro * poderoso * , pero esta nueva línea de ropa CNT alcanzó un factor de potencia récord que
es tres veces mayor que el estándar comercial.
pero como funciona? Básicamente, genera electricidad siempre que hay un gradiente de temperatura
en el material. Lo que significa que un lado está más caliente que el otro. Por extraño
que parezca, los nanotubos individuales tienen un factor de potencia * gigante *. Esta es la densidad de energía
que puede obtener de un material dependiendo de una diferencia de temperatura particular. Hay
dos componentes que afectan el factor de potencia de un material. Su conductividad eléctrica
y el llamado coeficiente de Seebeck, también conocido como termopotencia, que le da una indicación
de cuánta electricidad genera un material a partir de variaciones térmicas. Imagina que unes
dos cables hechos de diferentes metales y calientas uno de ellos. Cuando hagas eso, los electrones
fluirán hacia la parte más fría de este circuito. Bueno, Seebeck fue el primero en
* ver * eso, razón por la cual este fenómeno se llama efecto Seebeck. Y es el
principio básico de cómo funcionan los termopares. Hasta ahora, los científicos han luchado por preservar
el factor de potencia de los CNT cuando los entrelazan en un marco más grande como una tela ... hasta
ahora. El grupo de Rice ... lo siento, el grupo de la Universidad de Rice fue el primero en crear una estructura basada en CNT de
gran tamaño que retiene la densidad de energía superior de los tubos individuales.
Se las arreglaron para empaquetar las fibras en un patrón denso y altamente alineado. Esto condujo a una
conductividad eléctrica 10 veces superior a las medidas en el pasado para las macroestructuras de CNT.
Además de eso, los diseñadores jugaron con la energía Fermi de las CNT. Esto se puede definir
como la diferencia entre el nivel de energía cinética más alto y más bajo de los electrones
a 0 kelvin (aproximadamente -460 F). A cualquier otra temperatura, se refiere al nivel de Fermi, que a
menudo se denomina potencial electroquímico. Ahora, no soy un científico, así que si me perdí algo
aquí, suene en los comentarios. Sé que todo suena complicado, así que centrémonos en
una palabra clave: cinética. El ajuste de la energía de Fermi, o el nivel, afectará la rapidez con que los electrones se mueven por
todo el material. En otras palabras, la conductividad eléctrica. Un ajuste exitoso
de este parámetro permitió a los investigadores modificar las propiedades electrónicas de las fibras. Doparon
el textil con algunos productos químicos que contienen cloro y lograron un coeficiente de Seebeck más alto, lo
que significa tener un nanopar más eficiente.
Obtener un factor de potencia muy alto es crucial para las aplicaciones de recolección de energía porque
maximiza la producción de electricidad que obtiene al aprovechar fuentes renovables como el calor residual industrial o
solar . Por el bien del experimento, los científicos probaron fibras de centímetros de largo
. Sin embargo, los investigadores obtuvieron las mismas propiedades electrónicas después de juntar las
piezas de tela más pequeñas en hilos de CNT más largos, lo que significa que el producto es escalable.
La principal advertencia aquí es que solo se ha probado en el laboratorio, pero es un resultado
muy alentador ya que las macroestructuras de CNT energéticamente eficientes serán esenciales para desarrollar dispositivos de recolección de
energía del mundo real . Y eso es lo que el grupo de investigación planea desarrollar
en el futuro. Una posible aplicación sería la refrigeración activa de componentes electrónicos. Gracias a
su alta conductividad térmica, las fibras de nanotubos podrían extraer calor de la optoelectrónica sensible
que, de lo contrario, podría fallar al exponerse a altas temperaturas. Si bien no han revelado
ningún financiamiento de inversionistas privados, esta investigación fue apoyada por algunas fundaciones, así
como por la Fuerza Aérea y el Departamento de Defensa de EE. UU.
Aunque estos desarrollos recientes están * calentando * las vibraciones en torno a los CNT, se están tardando años
en comercializar estos materiales revolucionarios. Entonces, ¿qué ha estado obstruyendo el tubo entre
el laboratorio y el mercado?
El principal desafío ha sido desarrollar estructuras más grandes basadas en CNT que preserven las maravillosas
propiedades de cada uno de sus componentes básicos. Otro enigma importante ha sido el
crecimiento selectivo de un nanotubo con una geometría específica. Siempre que crea CNT, siempre termina
teniendo un * cóctel de nano pajitas * con diferentes formas y propiedades. Y, lo más importante,
este lío amontonado no tiene las maravillosas cualidades de los CNT individuales. Sin embargo, durante el
último año o dos, los investigadores han ideado diferentes métodos para desenredar el
problema de la agrupación de CNT.
Uno de los principales objetivos de los científicos ha sido separar tubos metálicos y semiconductores.
Para lograr esto, desarrollaron diferentes tipos de polímeros para disolver y lavar
un tipo y dejar el otro atrás. Otro equipo de investigadores utilizó cresol, un
ingrediente de los productos de limpieza comerciales, para purificar el revoltijo de CNT. Además de
evitar productos químicos agresivos que podrían reducir la conductividad de los CNT, el uso de cresol dio a los tubos
aislados un toque pegajoso. A medida que los investigadores aumentaron la cantidad de cresol, su producto purificado
cambió la consistencia de una pasta de dientes a un gel a una especie de masa de carbón que básicamente se
comporta como plástico. Esto todavía está en la fase de laboratorio, por lo que se están realizando más pruebas y desarrollo
, pero su creación similar a un polímero podría traer enormes ventajas prácticas.
Sería mucho más fácil de manejar y transportar en comparación con los polvos de carbón esponjosos. Y
serían más adecuados para la producción industrial de compuestos.
Después de 30 años, el pionero de CNT Sumio Iijima no ha perdido su entusiasmo inicial y todavía está
tratando de acelerar la producción en masa de nanotubos de carbono. Aparentemente, presentó una patente
para un nuevo método que arreglaría el desorden de CNT que normalmente se obtiene. Todas estas aportaciones
podrían facilitar la vida de las pocas empresas que se están esforzando por comercializarlas.
Como Huntsman Corp, que ha podido aumentar la producción de un gramo por hora a
poder crear un kilogramo por hora. Eso es un aumento de 1000 veces en unos pocos años y
continúan escalando.
La exageración sobre los nanotubos de carbono no es tan alta hoy como hace 30 años, lo cual es algo bueno
. Creo que las expectativas son más realistas ahora. Pero siguen siendo algunos de los materiales
más prometedores para el futuro de las tecnologías ecológicas. Si bien la fabricación de CNT a
escala ha resultado ser mucho más compleja y requiere más tiempo de lo esperado, los investigadores
han logrado avances significativos, aunque lentos. Claramente, todavía no pueden prometernos un ascensor
espacial , pero recolectar calor para obtener energía y hacer que nuestra red y paneles solares sean más eficientes
suena como un logro electrizante, pero realista. Es importante vigilar
el progreso ... y las expectativas bajo control.
Pero, ¿qué piensa usted? ¿Crees que este tipo de tecnología marcará la diferencia en el
mercado renovable? ¿O cree que los CNT todavía se han comprometido demasiado y nunca se cumplirán?
Salte a los comentarios y hágamelo saber. Y gracias como siempre a mis patrocinadores. Su apoyo
directo realmente ayuda a producir estos videos. Hablando de eso, si te gustó este
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