Las partículas diminutas potencian las reacciones químicas
Un material revolucionario basado en nanotubos de carbono puede crear energía absorbiendo energía de su entorno.
Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han desarrollado un nuevo enfoque para producir energía utilizando partículas microscópicas de carbono que pueden generar una corriente simplemente por contacto con el líquido en su área.
Según los investigadores, el líquido, un disolvente orgánico, succiona electrones de las partículas, proporcionando una corriente que puede utilizarse para impulsar procesos químicos o alimentar robots a micro o nanoescala.
«Este mecanismo es nuevo, y este método de generación de energía es nuevo», dice Michael Strano, profesor de Ingeniería Química en el MIT. «Esta tecnología es interesante porque todo lo que se requiere es el flujo de un solvente a través de una capa de estas partículas. Esto le permite llevar a cabo la electroquímica sin necesidad de cables».
En un nuevo artículo que explica este fenómeno, los investigadores demostraron que podían utilizar esta corriente eléctrica para impulsar un proceso químico orgánico conocido como oxidación del alcohol, un proceso químico orgánico esencial en la industria química.
Strano es el autor principal del artículo, publicado en Nature Communications hoy (7 de junio de 2021). Albert Tianxiang Liu, un estudiante graduado del MIT, y Yuichiro Kunai, un ex investigador del MIT, son los autores principales del estudio. El estudiante de posgrado Anton Cottrill, los postdoctorados Amir Kaplan y Hyunah Kim, el estudiante de posgrado Ge Zhang y los recién graduados del MIT Rafid Mollah y Yannick Eatmon se encuentran entre los otros contribuyentes.
Características únicas
El estudio de Strano sobre los nanotubos de carbono, tubos huecos que consisten en una red de átomos de carbono con características eléctricas únicas, condujo al hallazgo inesperado. Strano demostró por primera vez en 2010 que los nanotubos de carbono podrían producir «ondas de termoenergía». Cuando un nanotubo de carbono se cubre con una capa de combustible, ráfagas de calor en movimiento, conocidas como ondas de termoenergía, suben por el tubo y generan una corriente eléctrica.
Strano y sus estudiantes descubrieron una propiedad similar de los nanotubos de carbono como resultado de su investigación. Descubrieron que recubrir una parte de un nanotubo con un polímero similar al teflón provoca un desequilibrio que permite que los electrones fluyan desde la parte recubierta a la no recubierta del tubo, lo que da como resultado una corriente eléctrica. Estos electrones se pueden extraer sumergiendo las partículas en una solución hambrienta de electrones.
Para hacer uso de esta propiedad única, los investigadores molieron nanotubos de carbono y los formaron en una hoja de material similar al papel antes de darles forma de partículas generadoras de electricidad. Los investigadores recubrieron un lado de cada hoja con un polímero similar al teflón antes de cortar partículas microscópicas de cualquier forma o tamaño. Crearon partículas de 250 micras por 250 micras para su estudio.
Cuando estas partículas se sumergen en un disolvente orgánico, como el acetonitrilo, el disolvente se adhiere a la superficie no recubierta de las partículas y comienza a tomar electrones de ellas.
«El disolvente elimina electrones y el sistema intenta equilibrarse moviendo electrones», explica Strano. «No hay una química avanzada de la batería en el interior. Es solo una partícula, y cuando la pones en un solvente, comienza a generar un campo eléctrico».
«Este estudio demuestra inteligentemente cómo extraer la energía eléctrica generalizada (y a menudo desapercibida) almacenada en un material electrónico para la síntesis electroquímica in situ», afirma Jun Yao, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Massachusetts en Amherst, que no participó en el estudio. «Lo bueno es que apunta a una metodología genérica que se puede ampliar fácilmente al uso de diversos materiales y aplicaciones en diversos sistemas sintéticos».
Energía de partículas
Las partículas en su forma actual pueden crear alrededor de 0,7 voltios de electricidad por partícula. En este estudio, los investigadores demostraron que podían crear matrices de cientos de partículas en un pequeño tubo de ensayo. Este reactor de «lecho empacado» produce suficiente energía para alimentar un proceso de oxidación del alcohol, convirtiendo el alcohol en aldehído o cetona. Normalmente, esta reacción no se lleva a cabo a través de la electroquímica, ya que necesitaría una cantidad excesiva de corriente externa.
«Debido a que el reactor de lecho empacado es compacto, tiene más flexibilidad de aplicación que un reactor electroquímico grande», explica Zhang. «Las partículas se pueden hacer muy pequeñas y la reacción electroquímica se puede impulsar sin el uso de cables externos».
Strano planea emplear este tipo de generación de energía en el futuro para crear polímeros utilizando solo dióxido de carbono como ingrediente inicial. Ya ha fabricado polímeros que pueden reponerse a sí mismos utilizando dióxido de carbono como ingrediente de construcción en un proceso de energía solar en un esfuerzo relacionado. Esta pieza está inspirada en la fijación de carbono, una serie de eventos químicos que las plantas emplean para crear azúcares a partir del dióxido de carbono mientras utilizan la energía solar.
A largo plazo, este método podría utilizarse para impulsar la robótica a micro o nanoescala. El grupo de Strano ya ha comenzado a desarrollar robots a pequeña escala que podrían usarse como sensores ambientales o de diagnóstico en el futuro. Le parece fascinante la idea de extraer energía del medio ambiente para alimentar este tipo de robots.
«Significa que no es necesario poner el almacenamiento de energía a bordo», explica. «Lo que nos gusta de este mecanismo es que se puede obtener energía del medio ambiente, al menos en parte».
