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Los ingenieros del MIT han descubierto una forma completamente nueva de generar electricidad.
Los ingenieros del MIT han descubierto una forma de generar electricidad utilizando pequeñas partículas de carbono que pueden crear una corriente eléctrica simplemente interactuando con un disolvente orgánico en el que flotan.
Un nuevo material hecho de nanotubos de carbono puede generar electricidad al eliminar energía de su entorno. Las pequeñas partículas de carbono que pueden crear una corriente, interactúan con el líquido que las rodea. El líquido, un solvente orgánico, extrae electrones de las partículas, generando una corriente que podría usarse para impulsar reacciones químicas o para impulsar robots a micro o nanoescala, dicen los investigadores.
“Este mecanismo es nuevo y esta forma de generar energía es completamente nueva”, dice Michael Strano, profesor de ingeniería química de Carbon P. Dubbs en el MIT. “Esta tecnología es intrigante porque todo lo que tiene que hacer es fluir un solvente a través de un lecho de estas partículas. Esto te permite hacer electroquímica, pero sin cables ".
En un nuevo estudio que describe este fenómeno, los investigadores demostraron que podrían usar esta corriente eléctrica para impulsar una reacción conocida como oxidación del alcohol, una reacción química orgánica que es importante en la industria química.
Strano es el autor principal del artículo, que aparece hoy (7 de junio de 2021) en Nature Communications. Los autores principales del estudio son el estudiante graduado del MIT Albert Tianxiang Liu y el ex investigador del MIT Yuichiro Kunai. Otros autores incluyen al ex estudiante de posgrado Anton Cottrill, los posdoctorados Amir Kaplan y Hyunah Kim, el estudiante de posgrado Ge Zhang y los recién graduados del MIT Rafid Mollah y Yannick Eatmon.
Propiedades únicas
El nuevo descubrimiento surgió de la investigación de Strano sobre nanotubos de carbono, tubos huecos hechos de una red de átomos de carbono, que tienen propiedades eléctricas únicas. En 2010, Strano demostró, por primera vez, que los nanotubos de carbono pueden generar "ondas termoeléctricas". Cuando un nanotubo de carbono se recubre con una capa de combustible, pulsos de calor en movimiento u ondas termoeléctricas viajan a lo largo del tubo y crean una corriente eléctrica.
Ese trabajo llevó a Strano y sus estudiantes a descubrir una característica relacionada de los nanotubos de carbono. Descubrieron que cuando parte de un nanotubo se recubre con un polímero similar al teflón, se crea una asimetría que hace posible que los electrones fluyan de la parte recubierta a la no recubierta del tubo, generando una corriente eléctrica. Esos electrones pueden extraerse sumergiendo las partículas en un disolvente que esté hambriento de electrones.
Para aprovechar esta capacidad especial, los investigadores crearon partículas generadoras de electricidad triturando nanotubos de carbono y transformándolos en una hoja de material similar al papel. Un lado de cada hoja se cubrió con un polímero similar al teflón, y luego los investigadores cortaron partículas pequeñas, que pueden tener cualquier forma o tamaño. Para este estudio, fabricaron partículas de 250 micrones por 250 micrones.
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 extraer electrones de ellas.
“El solvente quita electrones y el sistema intenta equilibrarse moviendo electrones”, dice Strano. “No hay una química de batería sofisticada en el interior. Es solo una partícula y la pones en solvente y comienza a generar un campo eléctrico ".
“Esta investigación muestra inteligentemente cómo extraer la energía eléctrica ubicua (y a menudo inadvertida) almacenada en un material electrónico para la síntesis electroquímica in situ”, dice Jun Yao, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Massachusetts en Amherst, que no participó en el estudio. "La belleza es que apunta a una metodología genérica que puede expandirse fácilmente al uso de diferentes materiales y aplicaciones en diferentes sistemas sintéticos".
Poder de las partículas
La versión actual de las partículas puede generar alrededor de 0,7 voltios de electricidad por partícula. En este estudio, los investigadores también demostraron que pueden formar matrices de cientos de partículas en un pequeño tubo de ensayo. Este reactor de "lecho compacto" genera suficiente energía para impulsar una reacción química llamada oxidación de alcohol, en la que un alcohol se convierte en un aldehído o una cetona. Por lo general, esta reacción no se realiza mediante electroquímica porque requeriría demasiada corriente externa.
“Debido a que el reactor de lecho empacado es compacto, tiene más flexibilidad en términos de aplicaciones que un gran reactor electroquímico”, dice Zhang. "Las partículas pueden hacerse muy pequeñas y no requieren cables externos para impulsar la reacción electroquímica".
En trabajos futuros, Strano espera usar este tipo de generación de energía para construir polímeros usando solo dióxido de carbono como material de partida. En un proyecto relacionado, ya ha creado polímeros que pueden regenerarse a sí mismos utilizando dióxido de carbono como material de construcción, en un proceso impulsado por energía solar.
Este trabajo está inspirado en la fijación de carbono, el conjunto de reacciones químicas que utilizan las plantas para construir azúcares a partir del dióxido de carbono, utilizando energía del sol.
A más largo plazo, este enfoque también podría utilizarse para impulsar robots a micro o nanoescala. El laboratorio de Strano ya ha comenzado a construir robots a esa escala, que algún día podrían usarse como sensores ambientales o de diagnóstico. La idea de poder recolectar energía del medio ambiente para alimentar este tipo de robots es atractiva, dice.
"Significa que no es necesario instalar el almacenamiento de energía", dice. "Lo que nos gusta de este mecanismo es que puede tomar la energía, al menos en parte, del medio ambiente".
Referencia: "Electroquímica inducida por solventes en una partícula de Janus de carbono asimétrica eléctricamente" por Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Anton L. Cottrill, Amir Kaplan, Ge Zhang, Hyunah Kim, Rafid S. Mollah, Yannick L. Eatmon y Michael S. Strano, 7 de junio de 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23038-7
La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de E.U. y una subvención inicial de la Iniciativa de Energía del MIT.
