Los nuevos no tejidos son conductores eléctricos pero aislantes térmicos
Alto potencial tecnológico
Investigadores de la Universidad de Bayreuth presentan en "Science Advances" nuevos no tejidos electrospun que presentan una combinación inusual de alta conductividad eléctrica y conductividad térmica extremadamente baja. Las telas no tejidas suponen un gran avance en la investigación de materiales: se ha conseguido desacoplar la conductividad eléctrica y térmica a partir de un concepto de material sencillo de aplicar. Las telas no tejidas están hechas de carbono y cerámica con base de silicio mediante un proceso de electrospinning y resultan atractivas para aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, en tecnología energética y electrónica. Pueden fabricarse y procesarse de forma rentable a escala industrial.
Imagen electrónica de barrido de las fibras de un nuevo tejido no tejido electrohilado que presenta una combinación poco habitual de alta conductividad eléctrica y conductividad térmica extremadamente baja.
UBT
Normalmente, una alta conductividad eléctrica va asociada a una alta conductividad térmica, y una baja conductividad térmica va acompañada de una baja conductividad eléctrica. Sin embargo, en muchas industrias de alta tecnología crece el interés por materiales multifuncionales que combinen una buena conductividad eléctrica con una baja conductividad térmica. Aunque se han desarrollado varias estrategias en este campo, como materiales inorgánicos densos, polímeros conjugados y aleaciones, conseguir una conductividad térmica extremadamente baja en combinación con una conductividad eléctrica alta sigue siendo un reto importante para los materiales flexibles y plegables.
El equipo de investigación de la Universidad de Bayreuth ha descubierto un concepto innovador para abordar este reto: los nuevos no tejidos electrospun están hechos de cerámica a base de carbono y silicio y consisten en fibras con una nanoestructura de tipo isla marina y con un diámetro de entre 500 y 600 nanómetros. Cada fibra contiene una matriz de carbono en la que se distribuyen homogéneamente fases cerámicas de tamaño nanométrico. Las partículas forman diminutas "islas" en el "mar" de la matriz de carbono y tienen efectos opuestos y complementarios. La matriz de carbono permite el transporte de electrones en las fibras y, por tanto, una alta conductividad eléctrica, mientras que la cerámica nanométrica, basada en el silicio, impide que la energía térmica se propague con la misma facilidad. Esto se debe a que la interfaz entre la cerámica nanométrica y la matriz de carbono es muy alta, mientras que los poros del no tejido son muy pequeños. Como resultado, se produce una fuerte dispersión de fonones, que son las unidades físicas más pequeñas de las vibraciones provocadas por la energía térmica. No se produce un flujo continuo de calor dirigido.
La inusual combinación de una elevada conductividad eléctrica y una conductividad térmica extremadamente baja se pone ahora de relieve mediante una comparación con más de 3.900 materiales de todo tipo, como cerámicas, carbonos, materiales naturales, polímeros sintéticos, metales, vidrios y diversos compuestos. El transporte de electrones y el aislamiento de la energía térmica estaban más acoplados en el nuevo material de fibra compuesta electrospun que en esos otros materiales.
"Nuestros no tejidos electrospun combinan propiedades multifuncionales muy atractivas que suelen distribuirse entre distintas clases de materiales: alta conductividad eléctrica, aislamiento térmico familiar de las espumas poliméricas, y no inflamabilidad y resistencia al calor características de la cerámica. Las fibras se basan en un concepto material sencillo y se han fabricado a partir de polímeros comerciales", afirma el primer autor, el Dr. Xiaojian Liao, investigador postdoctoral en química macromolecular de la Universidad de Bayreuth. "Estamos convencidos de que nuestras nuevas fibras son adecuadas para varios campos de aplicación: por ejemplo, en los ámbitos de la gestión de la energía, la electromovilidad con baterías, los textiles inteligentes o la industria aeroespacial", afirma la Prof. Dra. Seema Agarwal, catedrática de química macromolecular de la Universidad de Bayreuth y una de las autoras correspondientes de este nuevo estudio. El equipo interdisciplinar de la Universidad de Bayreuth, con experiencia en cerámica, polímeros, electrospinning, química física y microscopía electrónica, ha hecho posible el éxito de este trabajo.
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Publicación original
Xiaojian Liao, Jakob Denk, Thomas Tran, Nobuyoshi Miyajima, Lothar Benker, Sabine Rosenfeldt, Stefan Schafföner, Markus Retsch, Andreas Greiner, Günter Motz, Seema Agarwal: Extremely low thermal conductivity and high electrical conductivity of sustainable carbonceramic electrospun nonwoven materials. Science Advances (2023), Vol 9, Issue 13
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