Un profesor de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech quiere impulsar aviones y automóviles utilizando la energía almacenada en sus depósitos exteriores. Puede haber descubierto un camino hacia esa visión utilizando fibras de carbono porosas hechas de lo que se conoce como copolímeros de bloque.
Las fibras de carbono, ya conocidas como material de ingeniería de alto rendimiento, se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial y automotriz. Una aplicación son los depósitos de automóviles de lujo como Mercedes-Benz, BMW o Lamborghini.
Las fibras de carbono, finas hebras de carbono con forma de cabello, poseen múltiples propiedades de material primario: son mecánicamente fuertes, químicamente resistentes, eléctricamente conductoras, ignífugas y, lo que es más importante, livianas. El peso de las fibras de carbono mejora la eficiencia del combustible y la energía., produciendo jets y vehículos más rápidos.
Diseño de materiales para estructura y función
Guoliang "Greg" Liu, profesor asistente en el Departamento de Química, concibió la idea de crear fibras de carbono que no solo serían estructuralmente útiles, sino que también serían funcionalmente útiles.
"¿Qué pasa si podemos diseñarlos para que tengan funcionalidad, como el almacenamiento de energía?", Dijo Liu, también miembro del Instituto de Innovación Macromolecules. "Si desea que almacenen energía, necesita tener sitios para colocar iones"."
Liu dijo que idealmente las fibras de carbono podrían diseñarse para tener microagujeros distribuidos uniformemente por todas partes, de forma similar a una esponja, que almacenarían iones de energía.
Después de ajustar un método convencional desde hace mucho tiempo para producir fibras de carbono químicamente, Liu ahora ha desarrollado un proceso para sintetizar fibras de carbono porosas por primera vez con un tamaño y espacio uniformes. Detalla este trabajo en un artículo publicado recientemente en la revista de alto impacto Avances científicos .
"Hacer fibras de carbono porosas no es fácil", dijo Liu. "La gente ha intentado esto durante décadas. Pero la calidad y la uniformidad de los poros en las fibras de carbono no fueron satisfactorias".
"Diseñamos, sintetizamos y luego procesamos estos polímeros en el laboratorio, y luego los convertimos en fibras de carbono porosas".
Usando copolímeros de bloque para crear fibras de carbono porosas
Liu usó un proceso químico de varios pasos usando dos polímeros, cadenas largas y repetidas de moléculas, llamadas poliacrilonitrilo PAN y poli metacrilato de acrilonitrilo-bloque-metilo PMMA.
PAN es bien conocido en el campo de la química de polímeros como un compuesto precursor de las fibras de carbono, y el PMMA actúa como un material de retención de lugar que luego se elimina para crear los poros.
Pero en el pasado, otros químicos típicamente mezclaban PAN y PMMA por separado en una solución. Esto creó fibras de carbono porosas pero con poros de diferentes tamaños y espaciados. El almacenamiento de energía puede maximizarse con una mayor superficie, que ocurre con poros más pequeños y uniformes.
A Liu se le ocurrió la nueva idea de unir PAN y PMMA, creando lo que se conoce como un copolímero de bloque. La mitad del polímero compuesto es PAN, y la otra mitad es PMMA, y están unidos covalentemente en el medio.
"Esta es la primera vez que utilizamos copolímeros de bloques para fabricar fibras de carbono y la primera vez que usamos fibras de carbono porosas basadas en copolímeros de bloques en el almacenamiento de energía", dijo Liu. "A menudo, solo estamos pensando desde el punto del proceso-de vista, pero aquí estamos pensando desde el punto de vista del diseño de materiales "
Después de sintetizar el copolímero de bloque en el laboratorio, la solución viscosa se sometió a tres procesos químicos para lograr fibras de carbono porosas.
El primer paso es el electrohilado, un método que usa fuerza eléctrica para crear hebras fibrosas y endurecer la solución en un material similar al papel. A continuación, Liu somete el polímero a un proceso de calentamiento por oxidación. En este paso, el PAN y el PMMA naturalmenteseparados y autoensamblados en los hilos de PAN y dominios uniformemente dispersos de PMMA.
En el paso final, conocido como pirólisis, Liu calentó el polímero a una temperatura aún más alta. Este proceso solidificó el PAN en carbono y eliminó el PMMA, dejando atrás los mesoporos y microporos interconectados en toda la fibra.
Nuevas posibilidades en almacenamiento de energía
Aunque este avance mejora un material de ingeniería de alto rendimiento, tal vez el mayor avance es la capacidad de usar copolímeros de bloque para crear estructuras porosas uniformes para posibilidades de almacenamiento de energía.
"Abre la forma en que pensamos en el diseño de materiales para el almacenamiento de energía", dijo Liu. "Ahora también podemos comenzar a pensar en la funcionalidad. No solo usamos fibras de carbono como material estructural sino también como material funcional".
Liu había estado jugando con esta idea desde que se unió a Virginia Tech en 2014, pero comenzó una investigación formal sobre esta idea después de presentar una propuesta ganadora a través del Programa de Jóvenes Investigadores de la Fuerza Aérea YIP en 2016.
El primer autor del artículo es Zhengping Zhou, ex asociado postdoctoral de Liu que ahora trabaja como profesor asistente en la Universidad Estatal de Dakota del Norte. También participaron en la investigación Tianyu Liu, otro asociado postdoctoral en el Laboratorio Liu, y Assad Khan,estudiante de doctorado de quinto año en el Departamento de Química.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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