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(Foco Nanowerk) Los nanotubos de carbono, con su notable conductividad eléctrica y su impresionante resistencia mecánica, han sido aclamados durante mucho tiempo como un material revolucionario con potencial para transformar industrias. Estas nanoestructuras unidimensionales, formadas por moléculas de carbono cilíndricas, pueden alcanzar teóricamente una conductividad eléctrica de hasta 106 S/cm y resistencia a la tracción superior a 100 GPa. Propiedades tan extraordinarias hacen que los nanotubos de carbono sean prometedores bloques de construcción para materiales de fibra avanzados con capacidades sin precedentes.
A pesar de su inmenso potencial, el camino para traducir las propiedades superiores de los nanotubos de carbono individuales en fibras e hilos macroscópicos de alto rendimiento ha estado lleno de desafíos. Los investigadores se han enfrentado a la dificultad inherente de dispersar y alinear nanotubos de carbono, que tienden a agruparse debido a las fuertes fuerzas de Van der Waals. Además, los altos costos de producción, las preocupaciones ambientales y de salud y la escalabilidad limitada de muchas técnicas de síntesis han obstaculizado el progreso hacia una adopción comercial generalizada.
A lo largo de los años, los científicos han explorado varios enfoques para producir hilos de nanotubos de carbono, incluido el hilado en húmedo a partir de soluciones o dispersiones de hilado de cristal líquido, el hilado en seco a partir de matrices de nanotubos alineados verticalmente y el hilado directo a partir de aerogeles. Si bien cada método ha dado lugar a mejoras incrementales, lograr todo el espectro de propiedades deseables (como una alta densidad de empaquetamiento, una excelente alineación de nanotubos, propiedades mecánicas y eléctricas superiores y una producción eficiente a gran escala) sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar.
Ahora, un equipo de investigadores de la Academia China de Ciencias Agrícolas Tropicales y la Universidad Deakin en Australia han desarrollado una innovadora técnica de hilado en húmedo que finalmente podría desbloquear el verdadero potencial de los hilos de nanotubos de carbono. Como informa la revista Materiales funcionales avanzados (“Wet Twisting in Spinning for Rapid and Cost-Effective Fabrication of Superior Carbon Nanotube Yarns”), su rápido y continuo proceso de “torsión en húmedo” puede producir hilos de nanotubos de carbono de alta densidad con propiedades notables en tan solo unos minutos.
![Mecanismo de formación y hilatura en húmedo de hilos CNT puros.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64837_1.jpg)
La innovación clave radica en la combinación de decisiones estratégicas en cada etapa del proceso de hilatura. En primer lugar, los investigadores dispersaron eficazmente nanotubos de carbono de pared simple en agua utilizando taurodesoxicolato de sodio como tensioactivo. Este enfoque respetuoso con el medio ambiente garantiza una distribución uniforme manteniendo la longitud de los nanotubos, un factor crucial para lograr propiedades óptimas en el hilo final.
Luego, la solución de nanotubos bien dispersada se extruye a través de una jeringa en un baño de coagulación con ácido acético. El ácido acético no sólo permite que el hilo se solidifique rápidamente, sino que también elimina eficazmente el exceso de tensioactivo, creando una matriz de nanotubos pura y densamente empaquetada. Esta cuidadosa selección del medio de coagulación mantiene la alineación de los nanotubos y evita la introducción de contaminantes que podrían afectar la conductividad del hilo.
El paso final y más crítico es aplicar un tratamiento de torsión húmedo al hilo de nanotubos recién formado. Al torcer el hilo mientras aún estaba en estado similar a un gel, los investigadores lograron un aumento dramático en la densidad del empaquetamiento y la alineación de los nanotubos. Esta ingeniosa técnica exprime eficientemente el disolvente restante, dando como resultado un hilo compacto con una textura en espiral claramente definida.
La influencia de este tratamiento de torsión húmeda en las propiedades del hilo de nanotubos de carbono es nada menos que notable. En comparación con los hilos no tratados, los hilos retorcidos tienen una resistencia a la tracción de hasta 600 MPa, lo que supone una mejora de casi tres veces. El módulo de elasticidad, una medida de la rigidez del material, alcanza unos impresionantes 40 GPa. Al mismo tiempo, la conductividad eléctrica aumenta a 8990 S/cm, superando con creces el rendimiento de los anteriores hilos de nanotubos de carbono hilados en húmedo que se producían sin el uso de ácidos agresivos.
Debido a estas excepcionales propiedades mecánicas y eléctricas, los hilos retorcidos de nanotubos de carbono son comparables a algunos de los hilos de mayor rendimiento producidos utilizando métodos más complejos y peligrosos, como el hilado de cristal líquido con ácido clorosulfónico. En particular, el método de torsión húmeda ofrece las ventajas de simplicidad, seguridad y eficiencia, lo que lo convierte en una opción más atractiva para la producción a gran escala.
Para demostrar el uso práctico de sus hilos retorcidos de nanotubos de carbono, los investigadores construyeron un calentador de hilo de alto rendimiento. Sorprendentemente, este calentador presenta una respuesta electrotérmica ultrarrápida, logrando velocidades de calentamiento de más de 1000 °C/s con un bajo voltaje de funcionamiento de solo 5 V. Estas capacidades de calentamiento rápidas y eficientes abren posibilidades interesantes para aplicaciones en gestión térmica, dispositivos portátiles, etc.
Además, las propiedades mecánicas de los hilos retorcidos de nanotubos de carbono muestran una excelente estabilidad en un amplio rango de temperaturas. Incluso cuando se calientan a 150 °C, los hilos conservan su impresionante resistencia y módulo, un factor crítico en su rendimiento confiable en aplicaciones del mundo real.
Aunque este estudio representa un avance significativo en la producción de hilos de nanotubos de carbono de alto rendimiento, los investigadores reconocen que todavía hay margen de mejora. Aunque la resistencia mecánica de los hilos retorcidos mejora significativamente en comparación con los hilos no tratados, sigue siendo menor que la de algunos hilos de nanotubos de carbono hilados en seco recientemente reportados. Los autores sugieren que optimizar la orientación inicial del hilo antes de torcer y explorar métodos adicionales de postratamiento, como unir soluciones moleculares para mejorar las interacciones entre los nanotubos, podría mejorar aún más las propiedades mecánicas.
Otra consideración importante es el impacto ecológico y económico de este novedoso proceso de hilatura húmeda. El uso de ácido acético como baño de coagulación ofrece una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que los ácidos agresivos utilizados habitualmente en otros métodos. Además, el bajo costo y las excelentes perspectivas de producción a gran escala asociadas con las técnicas de hilado en húmedo hacen que este enfoque sea particularmente atractivo para aplicaciones industriales. A medida que crece la demanda de materiales sostenibles y rentables, el desarrollo de métodos de fabricación escalables y respetuosos con el medio ambiente se vuelve cada vez más importante.
El desarrollo de este rápido proceso de hilado y torsión en húmedo para producir hilos de nanotubos de carbono de alta calidad marca un hito importante en el campo de los materiales de fibra avanzados. Al abordar los desafíos de larga data de la dispersión, alineación y densificación de nanotubos y al mismo tiempo priorizar la escalabilidad y el respeto al medio ambiente, este enfoque innovador allana el camino para la producción a gran escala y la adopción generalizada de hilos de nanotubos de carbono de alto rendimiento.
A medida que la demanda de materiales livianos, resistentes y multifuncionales continúa creciendo en industrias que van desde la aeroespacial hasta la automotriz, pasando por la electrónica portátil y el almacenamiento de energía, los hilos de nanotubos de carbono están preparados para revolucionar el panorama. Con su combinación incomparable de robustez mecánica, conductividad eléctrica y capacidad de respuesta térmica, estos hilos ofrecen un enorme potencial para superar los límites del rendimiento del material y permitir aplicaciones novedosas.
La simplicidad y eficiencia de la técnica de hilado y torsión en húmedo desarrollada por investigadores chinos y australianos nos acerca un paso más a la realización de todo el potencial de los nanotubos de carbono. A medida que se exploren una mayor optimización y métodos de producción ampliados, podemos esperar un futuro en el que los hilos de nanotubos de carbono se conviertan en un material ubicuo e indispensable, impulsando la innovación y transformando industrias en todo el mundo. Sin embargo, se requieren más esfuerzos de investigación para aprovechar plenamente el potencial de estos extraordinarios materiales y superar los desafíos restantes en el camino hacia la comercialización.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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