Científicos han dado un paso importante hacia la aplicación práctica del aerografeno, un material para nuevos dispositivos de bombeo basados en la generación de explosiones eléctricas controlables.
Teóricamente, solo se necesitan 450 gramos de este material para levantar un elefante. El aerografeno debe esta capacidad a su estructura única a nivel nano. 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 liviano como el aire.
Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de materiales de la Universidad de Kiel (CAU) ha logrado calentar y enfriar repetidamente el aerografeno y el aire contenido en el interior a temperaturas muy altas en un período de tiempo extremadamente corto. Esto permite dispositivos de bombeo extremadamente potentes, aplicaciones de aire comprimido o filtros de aire esterilizantes en miniatura. El artículo ha sido publicado en portada de la revista Materials Today.
«Cuando presentamos estos materiales por primera vez, eran la clase de materiales más livianos del mundo hasta la fecha, con una densidad de solo 0,2 miligramos por centímetro cúbico. Como es prácticamente aire, los llamamos ‘aeromateriales’», recuerda en un comunicado Rainer Adelung, profesor de Nanomateriales Funcionales de CAU cuando se presentaron por primera vez en 2012 junto con colegas de la Universidad Tecnológica de Hamburgo. Las fascinantes propiedades de los aeromateriales generaron interés en todo el mundo y se han investigado intensamente desde entonces, por ejemplo, en la importante iniciativa de investigación europea «Graphene Flagship».
Este nuevo estudio proporciona una contribución a cómo los aeromateriales podrían pasar de la investigación básica a la aplicación. Los científicos de materiales de Kiel, junto con colegas de Technische Universität Dresden, Universidad del Sur de Dinamarca, Universidad de Trento y Universidad Queen Mary de Londres, han descubierto otras propiedades que permiten innovaciones en neumática, robótica o tecnología de filtros de aire.
«En nuestros experimentos, hemos descubierto que los aeromateriales hechos de grafeno y otros nanomateriales conductores se pueden calentar eléctricamente de manera extremadamente rápida hasta varios cientos de grados por milisegundo debido a su baja densidad», explica el Dr. Fabian Schütt de CAU, quien dirigió y llevó a cabo los experimentos junto con el Dr. Florian Rasch.
Para ello, los científicos de materiales utilizaron el aeromaterial «aerographene», que consta de unas pocas capas de átomos de carbono y un 99,9% de aire. Cuando se calienta, este aire contenido dentro del material también se calienta extremadamente rápido y se expande. En el caso de un calentamiento muy rápido, hay una expansión de volumen y se habla de una «explosión». «Esto significa que ahora podemos usar aerographene para iniciar pequeñas explosiones controlables y repetibles que no requieren una reacción química», dice Schütt, resumiendo sus hallazgos.
Eso es porque casi tan rápido como se calienta, el aerografeno se enfría nuevamente tan pronto como se apaga la fuente de alimentación. «Apenas puede almacenar calor debido a su capacidad calorífica extremadamente baja. A través de su estructura de red, lo libera muy rápidamente de vuelta al aire que lo 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 aire comprimido extremadamente potente con solo presionar un botón, sin los compresores ni los suministros de gas que de otro modo serían necesarios», explica Adelung.
Los científicos utilizan este efecto para desarrollar nuevas bombas que se pueden ajustar específicamente, así como actuadores de alto rendimiento en formato miniatura. «Si coloca el aeromaterial en un cilindro de presión y lo calienta con electricidad, el chorro de aire generado se puede utilizar para mover objetos hacia arriba y hacia abajo de manera específica y varias veces por segundo», explica Rasch, quien recientemente completó 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 kilogramos en solo unos pocos milisegundos. Por lo tanto, los actuadores desarrollados con aerografeno tienen altas densidades de potencia mientras mantienen grandes cambios de volumen.
«A diferencia de las reacciones químicas, estas pequeñas explosiones eléctricas se pueden controlar de manera muy específica y también son muy limpias. Al cambiar la duración y la fuerza del suministro de corriente, podemos controlar con precisión la frecuencia y la fuerza de las ráfagas de aire», dice Rasch. Gracias a la extrema conductividad de los aeromateriales, solo necesitan una pequeña cantidad de electricidad para ello. En los experimentos llevados a cabo en Kiel, el material ha resistido hasta el momento 100.000 ciclos y ya se ha presentado una patente.
Fuente: europapress.es