Los ingenieros del MIT han descubierto una forma de generar electricidad mediante diminutas partículas de carbono.
Pueden crear una corriente eléctrica simplemente al interactuar con un disolvente orgánico en el que flotan.
Las partículas se fabrican a partir de nanotubos de carbono triturados recubiertos con un polímero similar al Teflón.
Los ingenieros del MIT han descubierto una nueva forma de generar electricidad mediante diminutas partículas de carbono que pueden crear una corriente simplemente al interactuar con el líquido que las rodea.
El líquido, un disolvente orgánico, extrae electrones de las partículas y genera una corriente que podría utilizarse para impulsar reacciones químicas o para alimentar robots de escala micro o nanométrica, afirman los investigadores.
“Este mecanismo es nuevo, y esta forma de generar energía es completamente nueva”, afirma Michael Strano, catedrático Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química del MIT. “Esta tecnología resulta fascinante porque basta con hacer fluir un disolvente a través de un lecho de estas partículas. Esto permite realizar electroquímica, pero sin cables”.
En un nuevo estudio que describe este fenómeno, los investigadores demostraron que podían utilizar esta corriente eléctrica para impulsar una reacción conocida como oxidación de alcoholes, una reacción química orgánica importante en la industria química.
Strano es el autor principal del artículo, que se publica hoy en Nature Communications. Los autores principales del estudio son el estudiante de posgrado del MIT Albert Tianxiang Liu y el antiguo investigador del MIT Yuichiro Kunai. Otros autores son el antiguo estudiante de posgrado Anton Cottrill, los posdoctorandos Amir Kaplan y Hyunah Kim, el estudiante de posgrado Ge Zhang, y los recientes graduados del MIT Rafid Mollah y Yannick Eatmon.
Propiedades únicas
El nuevo descubrimiento surgió de la investigación de Strano sobre los nanotubos de carbono, tubos huecos formados por una red de átomos de carbono, que poseen propiedades eléctricas únicas. En 2010, Strano demostró por primera vez que los nanotubos de carbono pueden generar “ondas de termopotencia”. Cuando un nanotubo de carbono está recubierto con una capa de combustible, pulsos móviles de calor, o ondas de termopotencia, recorren el tubo y generan una corriente eléctrica.
Ese trabajo llevó a Strano y a sus estudiantes a descubrir una característica relacionada de los nanotubos de carbono. Comprobaron que, cuando una parte de un nanotubo está recubierta con un polímero similar al Teflón, se crea una asimetría que hace posible que los electrones fluyan desde la parte recubierta hacia la parte no recubierta del tubo, generando una corriente eléctrica. Esos electrones pueden extraerse sumergiendo las partículas en un disolvente que tiene avidez por los electrones.
Para aprovechar esta capacidad especial, los investigadores crearon partículas generadoras de electricidad triturando nanotubos de carbono y dándoles forma de una lámina de material similar al papel. Un lado de cada lámina se recubrió con un polímero similar al Teflón y, a continuación, los investigadores cortaron pequeñas partículas, que pueden tener cualquier forma o tamaño. En este estudio, fabricaron partículas de 250 micras por 250 micras.
Cuando estas partículas se sumergen en un disolvente orgánico como la acetonitrilo, el disolvente se adhiere a la superficie no recubierta de las partículas y comienza a extraer electrones de ellas.
“El disolvente se lleva los electrones, y el sistema trata de equilibrarse moviendo electrones”, afirma Strano. “No hay en su interior una química de baterías sofisticada. Es simplemente una partícula, y cuando la introduces en el disolvente, empieza a generar un campo eléctrico”.
“Esta investigación muestra de forma ingeniosa cómo extraer la energía eléctrica omnipresente (y a menudo inadvertida) almacenada en un material electrónico para la síntesis electroquímica in situ”, afirma Jun Yao, profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Massachusetts en Amherst, que no participó en el estudio. “Lo más interesante es que apunta a una metodología genérica que puede ampliarse fácilmente al uso de distintos materiales y aplicaciones en diferentes sistemas sintéticos”.
Potencia de las partículas
La versión actual de las partículas puede generar unos 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 empaquetado” genera energía suficiente para impulsar una reacción química denominada oxidación de alcoholes, en la que un alcohol se convierte en un aldehído o una cetona. Normalmente, esta reacción no se realiza mediante electroquímica porque requeriría una corriente externa excesiva.
“Dado que el reactor de lecho empaquetado es compacto, ofrece más flexibilidad en cuanto a aplicaciones que un reactor electroquímico de gran tamaño”, afirma Zhang. “Las partículas pueden fabricarse muy pequeñas, y no requieren ningún cable externo para impulsar la reacción electroquímica”.
En trabajos futuros, Strano espera utilizar este tipo de generación de energía para fabricar polímeros empleando únicamente dióxido de carbono como materia prima. 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 se inspira en la fijación de carbono, el conjunto de reacciones químicas que las plantas utilizan para construir azúcares a partir del dióxido de carbono, empleando la energía del sol.
A más largo plazo, este enfoque también podría utilizarse para alimentar robots de escala micro o nanométrica. El laboratorio de Strano ya ha comenzado a construir robots a esa escala, que algún día podrían utilizarse como sensores de diagnóstico o ambientales. La idea de poder aprovechar la energía del entorno para alimentar este tipo de robots resulta atractiva, afirma.
“Significa que no hay que incorporar el almacenamiento de energía a bordo”, afirma. “Lo que nos gusta de este mecanismo es que puedes obtener la energía, al menos en parte, del entorno”.
La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos y por una subvención inicial del Iniciativa de Energía del MIT.
