Los nanotubos de carbono invisiblemente pequeños alineados como fibras y cosidos en telas se convierten en un generador termoeléctrico que puede convertir el calor del sol u otras fuentes en otras formas de energía.
El laboratorio de la Universidad de Rice del físico Junichiro Kono lideró un esfuerzo con científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio y el Carbon Hub de Rice para fabricar fibras de nanotubos personalizadas y probar su potencial para aplicaciones a gran escala.
Sus experimentos a pequeña escala condujeron a una tela de algodón flexible mejorada con fibra que convirtió la energía térmica en suficiente energía eléctrica para encender un LED. Con un mayor desarrollo, dicen que estos materiales podrían convertirse en componentes básicos para la electrónica de fibras y textiles y la recolección de energía.
Las mismas fibras de nanotubos también podrían usarse como disipadores de calor para enfriar activamente la electrónica sensible con alta eficiencia.
Aparece un documento sobre el proyecto Comunicaciones de la naturaleza.
El efecto parece simple: si un lado de un material termoeléctrico está más caliente que el otro, produce energía utilizable. El calor puede provenir del sol u otros dispositivos como las placas de cocción utilizadas en el experimento de la tela. Por el contrario, agregar energía puede provocarel material para enfriar el lado más caliente.
Hasta ahora, ningún ensamblaje macroscópico de nanomateriales ha mostrado el "factor de potencia gigante" necesario, alrededor de 14 milivatios por metro kelvin cuadrado, que los investigadores de Rice midieron en fibras de nanotubos de carbono.
"El factor de potencia te dice cuánta densidad de potencia puedes obtener de un material con cierta diferencia de temperatura y gradiente de temperatura", dijo la estudiante graduada de Rice, Natsumi Komatsu, autora principal del artículo. Ella señaló que el factor de potencia de un material es una combinaciónefecto de su conductividad eléctrica y lo que se conoce como el coeficiente de Seebeck, una medida de su capacidad para traducir las diferencias térmicas en electricidad.
"La conductividad eléctrica ultra alta de esta fibra fue uno de los atributos clave", dijo Komatsu.
La fuente de esta superpotencia también se relaciona con el ajuste de la energía de Fermi inherente de los nanotubos, una propiedad que determina el potencial electroquímico. Los investigadores pudieron controlar la energía de Fermi dopando químicamente los nanotubos convertidos en fibras por el laboratorio de Rice del coautory el ingeniero químico y biomolecular Matteo Pasquali, lo que les permitió ajustar las propiedades electrónicas de las fibras.
Si bien las fibras que probaron se cortaron en longitudes de centímetros, Komatsu dijo que no hay razón para que los dispositivos no puedan utilizar las excelentes fibras de nanotubos del laboratorio Pasquali que se enrollan en longitudes continuas. "No importa dónde se midan, tienenla misma conductividad eléctrica muy alta ", dijo." La pieza que medí era pequeña solo porque mi configuración no es capaz de medir 50 metros de fibra ".
Pasquali es director del Carbon Hub, que promueve la expansión del desarrollo de materiales de carbono e hidrógeno de una manera que también cambia fundamentalmente la forma en que el mundo usa los hidrocarburos fósiles.
"Las fibras de nanotubos de carbono han estado en un camino de crecimiento constante y están demostrando ser ventajosas en más y más aplicaciones", dijo. "En lugar de desperdiciar carbono al quemarlo en dióxido de carbono, podemos fijarlo como materiales útiles que tienen más efectos ambientalesbeneficios en generación y transporte de energía eléctrica. "
Queda por ver si la nueva investigación conduce a un panel solar que puede arrojar a la lavadora, pero Kono estuvo de acuerdo en que la tecnología tiene un gran y variado potencial.
"Los nanotubos han existido durante 30 años, y científicamente, se sabe mucho", dijo. "Pero para hacer dispositivos del mundo real, necesitamos ensamblajes cristalinos o ordenados macroscópicamente. Esos son los tipos de muestras de nanotubos queEl grupo de Matteo y mi grupo pueden hacer, y hay muchas, muchas posibilidades de aplicaciones ".
Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Oliver Dewey, Lauren Taylor y Mitchell Trafford y Geoff Wehmeyer, profesor asistente de ingeniería mecánica; y Yota Ichinose, profesor Yohei Yomogida y profesor Kazuhiro Yanagi de la Universidad Metropolitana de Tokio.
Kono es profesor de ingeniería Karl F. Hasselmann y profesor de ingeniería eléctrica e informática, de física y astronomía y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Pasquali es profesor de ingeniería química y biomolecular AJ Hartsook y profesor de química y deciencia de materiales y nanoingeniería.
El programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Robert A. Welch, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Y el Departamento de Defensa apoyaron la investigación.
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