Material aireado con poder explosivo
Nuevo método para la generación de explosiones eléctricas controlables
En teoría, sólo se necesitan 450 gramos de este material para levantar un elefante: El "aerografeno" debe esta capacidad a su estructura única a nivel nanométrico. Visualmente similar a una espuma negra, en realidad consiste en una red tubular finamente estructurada a base de grafeno con numerosas cavidades. Esto lo hace extremadamente estable, conductor y casi tan ligero como el aire. Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos de materiales de la Universidad de Kiel (CAU) ha dado ahora un gran paso hacia las aplicaciones prácticas. Han conseguido calentar y enfriar repetidamente el aerografeno y el aire que contiene hasta alcanzar temperaturas muy altas en un periodo de tiempo extremadamente corto. De este modo, se pueden realizar bombas extremadamente potentes, aplicaciones de aire comprimido o esterilizar filtros de aire en miniatura.
El modelo muestra la estructura interna de filigrana, una red de tubos de grafeno que hace que el aerografeno sea tan ligero y conductor.
© Julia Siekmann, Uni Kiel
"El aerografeno puede calentarse y enfriarse muy rápidamente
"Cuando presentamos estos materiales por primera vez, eran la clase de materiales más ligera del mundo hasta la fecha, con una densidad de sólo 0,2 miligramos por centímetro cúbico. Como eso es prácticamente aire, los llamamos 'aeromateriales'", recuerda Rainer Adelung. El catedrático de Nanomateriales Funcionales de la CAU había desarrollado los materiales, que se presentaron por primera vez en 2012, junto con colegas de la Universidad Tecnológica de Hamburgo. Las fascinantes propiedades de los aeromateriales suscitaron interés en todo el mundo y se han investigado intensamente desde entonces, por ejemplo en la gran iniciativa de investigación europea "Graphene Flagship".
Este nuevo estudio contribuye a que los aeromateriales puedan pasar de la investigación básica a la aplicación. Los científicos de materiales de Kiel, junto con sus colegas de la Technische Universität Dresden, la Universidad del Sur de Dinamarca, la Universidad de Trento y la Queen Mary University of London, han descubierto otras propiedades que permiten innovaciones en neumática, robótica o tecnología de filtros de aire.
"En nuestros experimentos, hemos descubierto que los aeromateriales fabricados con grafeno y otros nanomateriales conductores pueden calentarse eléctricamente con extrema rapidez, hasta varios cientos de grados por milisegundo, debido a su baja densidad", explica el Dr. Fabian Schütt, de la CAU, que dirigió y realizó los experimentos junto con el Dr. Florian Rasch. Para ello, los científicos de materiales utilizaron el aeromaterial "aerografeno", que consiste en unas pocas capas de átomos de carbono y un 99,9% de aire. Cuando se calienta, este aire contenido en el material también se calienta con extrema rapidez y se expande. En el caso de un calentamiento muy rápido, se produce una expansión de volumen y se habla de una "explosión". "Esto significa que ahora podemos utilizar el aerografeno para iniciar pequeñas explosiones controlables y repetibles que no requieren una reacción química", dice Schütt, resumiendo sus hallazgos.
Esto se debe a que el aerografeno se calienta casi tan rápido como se calienta, y se enfría de nuevo en cuanto se desconecta la alimentación. "Apenas puede almacenar calor debido a su bajísima capacidad térmica. A través de su estructura de red, lo libera muy rápidamente en el aire que contiene", continúa Schütt. El rápido calentamiento y enfriamiento del material permite a los investigadores iniciar varias explosiones por segundo, una tras otra. "Esto nos proporciona un aire comprimido extremadamente potente con sólo pulsar un botón, sin los compresores y el suministro de gas que de otro modo serían necesarios", explica Adelung.
El material ya ha resistido más de 100.000 ciclos - patente pendiente
Los científicos aprovechan este efecto para desarrollar nuevas bombas que pueden ajustarse específicamente, así como actuadores de alto rendimiento en formato miniatura. "Si se coloca el aeromaterial en un cilindro de presión y se calienta con electricidad, la ráfaga de aire generada puede utilizarse para mover objetos hacia arriba y hacia abajo de forma selectiva y varias veces por segundo", explica Rasch, que acaba de terminar su tesis doctoral sobre este tema. En sus experimentos, los dos primeros autores, Schütt y Rasch, pudieron demostrar que incluso una pequeña cantidad de objetos de aerografeno, que son muchas veces más pesados, se pueden mover. Por ejemplo, 10 miligramos de aerografeno fueron suficientes para levantar un peso de dos kilos en apenas unos milisegundos. Así que los actuadores desarrollados con aerografeno tienen altas densidades de potencia manteniendo grandes cambios de volumen.
"A diferencia de las reacciones químicas, estas pequeñas explosiones eléctricas pueden controlarse de forma muy específica y también son muy limpias. Cambiando la duración y la fuerza del suministro de corriente podemos controlar con precisión la frecuencia y la fuerza de las explosiones de aire", dice Rasch. Gracias a la extrema conductividad de los aeromateriales, sólo necesitan una pequeña cantidad de electricidad para ello. En los experimentos realizados en Kiel, el material ha resistido hasta ahora 100.000 ciclos, y ya se ha presentado una patente.
También puede utilizarse como filtro de aire autolimpiable contra las bacterias
Como ejemplo de aplicaciones, el grupo de investigación de Adelung está desarrollando actualmente nuevos materiales y sistemas de filtrado de aire basados en el aerografeno en colaboración con el proveedor alemán de aviación Lufthansa Technik y financiados por el Graphene Flagship. "Las corrientes de aire pueden guiarse muy bien a través de la estructura de red abierta del material y pueden calentarse fuertemente durante un corto periodo de tiempo. De este modo, las bacterias y los virus, por ejemplo, pueden ser filtrados del aire y eliminados", dijo Adelung. "Esto podría permitir que estos sistemas de filtrado funcionen de forma autolimpiante y funcionen sin un mantenimiento costoso en el futuro".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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