Nanotubos y ondas de calor, una nueva fuente de electricidad

Un equipo de cient¨ªficos del Instituto de Tecnol¨®gico de Massachussets (MIT) ha descubierto un fen¨®meno por el que, mediante nanotubos de carbono, se pueden disparar y causar poderosas ondas de energ¨ªa t¨¦rmica. El experimento podr¨ªa conducir a una nueva forma de producir electricidad, seg¨²n los investigadores. El fen¨®meno, que se describe como ondas de potencia t¨¦rmica, "abre un nuevo campo de investigaci¨®n de la energ¨ªa, algo completamente novedoso", dice Michael Strano, profesor de ingenier¨ªa qu¨ªmica del MIT y coordinador del art¨ªculo en el que se describen los nuevos hallazgos, publicado en Nature Materials. El autor principal del art¨ªculo es Wonjoon Choi, un estudiante de doctorado en ingenier¨ªa mec¨¢nica.

Igual que un tronco flotando en el mar puede ser transportado por las olas, una onda t¨¦rmica -un pulso de calor en movimiento- que viaja a lo largo de un nanotubo de carbono puede empujar electrones, creando una corriente el¨¦ctrica. El ingrediente clave de la receta son tubos nanom¨¦tricos huecos de un entramado de ¨¢tomos de carbono, con un di¨¢metro de s¨®lo unas pocas milmillon¨¦simas de metro (nan¨®metros). Forman parte de una familia de mol¨¦culas de carbono, incluyendo las llamadas buckyballs y las hojas de grafeno, que han sido objeto de investigaci¨®n intensiva en todo el mundo durante las ¨²ltimas dos d¨¦cadas.

En los nuevos experimentos, los nanotubos de cada uno de estos conductores de calor y electricidad fueron recubiertos con una capa de un combustible altamente reactivo que puede producir calor por descomposici¨®n. Este combustible fue encendido en un extremo de los nanotubos utilizando un rayo l¨¢ser o una chispa de alto voltaje, y el resultado fue el r¨¢pido movimiento de una onda t¨¦rmica que viaj¨® a lo largo de los nanotubos de carbono como si fuera una llama a toda velocidad a lo largo de una mecha encendida.

El calor que se genera al quemarse el combustible entra en el nanotubo, donde se propaga a una velocidad mil veces mayor que a trav¨¦s del propio combustible.

Con una temperatura de 3.000 grados Kelvin, esta onda en forma de anillo se mueve a lo largo del nanotubo 10.000 veces m¨¢s r¨¢pido que la propagaci¨®n normal de la reacci¨®n qu¨ªmica a trav¨¦s del reactivo. El calor producido por la recombusti¨®n que resulta, tambi¨¦n empuja a los electrones a lo largo del nanotubo, creando una corriente el¨¦ctrica considerable.

"Las ondas de combusti¨®n -como este pulso de calor que se trasmite a toda velocidad a lo largo de un alambre- han sido estudiadas matem¨¢ticamente desde hace m¨¢s de cien a?os", afirma Strano. Sin embargo, contin¨²a, ha sido el primero en predecir que las ondas de combusti¨®n podr¨ªan ser guiadas a trav¨¦s de un nanotubo y nanocables y que podr¨ªa empujar una corriente el¨¦ctrica a lo largo de dicho cable.

En los primeros experimentos que realizaron, en los cuales encendieron el combustible que estaba recubriendo el nanotubo, explica Strano, "nos sorprendi¨® mucho el voltaje producido por el nanotubo". Despu¨¦s de siguientes mejoras, el sistema ahora produce energ¨ªa, que en proporci¨®n a su peso, es aproximadamente cien veces mayor energ¨ªa que el equivalente de una pila de i¨®n litio. "La cantidad de energ¨ªa producida, es mucho mayor que la prevista por los c¨¢lculos termoel¨¦ctricos. Si bien en los materiales semiconductores muchos pueden producir un potencial el¨¦ctrico cuando se calientan, seg¨²n el efecto Seebeck. Esto es muy d¨¦bil en el carbono, sin embargo el potencial de arrastre de electrones depende proporcionalmente de la velocidad de la onda m¨¢s que de su temperatura".

"La onda t¨¦rmica", contin¨²a el cient¨ªfico del MIT, "parece que arrastra los portadores de carga el¨¦ctrica (electrones o los huecos) como una ola del mar puede recoger y transportar una colecci¨®n de los desechos a lo largo de la superficie. Esta propiedad importante es la responsable de la alta potencia producida por el sistema". Y a?ade: "Debido a que este es un nuevo descubrimiento, es dif¨ªcil predecir exactamente que aplicaciones pr¨¢cticas puede tener ". Pero ¨¦l sugiere que una posible aplicaci¨®n podr¨ªa ser el uso de un nuevo tipo de dispositivos electr¨®nicos ultra peque?os del tama?o de un grano de arroz; tal vez sensores o aparatos para tratamiento de enfermedades que podr¨ªan ser inyectados en el cuerpo humano; o quiz¨¢ tambi¨¦n sensores ambientales que podr¨ªan se dispersados como polvo en el aire.

En teor¨ªa, estos nuevos aparatos podr¨ªan mantener la energ¨ªa que tienen acumulada de forma indefinida hasta el momento en que se usen, no como las bater¨ªas actuales que tienen fugas y su carga se va perdiendo poco a poco si no se usan. Como los nanotubos son muy peque?os, Strano sugiere que podr¨ªan hacerse matrices de ¨¦stos, grandes series, a fin de suministrar cantidades significativas de energ¨ªa para dispositivos m¨¢s grandes.

Una de las l¨ªneas que los investigadores pretenden desarrollar con m¨¢s inter¨¦s es el conseguir plasmar de hecho su teor¨ªa de que usando diferentes tipos de materiales reactivos para el revestimiento del nanotubo, el frente de onda t¨¦rmica que empuja a los electrones puede oscilar, produciendo as¨ª una corriente alterna. Esto abre una gran variedad de posibilidades, seg¨²n Strano, porque la corriente alterna es la base para las ondas de radio utilizadas por ejemplo en las transmisiones de tel¨¦fonos m¨®viles, lo cual mejorar¨ªa los actuales sistemas de almacenamiento de energ¨ªa que producen corriente continua. "Nuestra teor¨ªa predijo estas oscilaciones antes de que empez¨¢ramos a confirmarlo en nuestros datos", dice. El equipo de investigadores tiene previsto trabajar para mejorar la eficiencia del sistema, ya que en las versiones actuales del sistema se pierde mucha energ¨ªa en forma de calor y luz.

Seg¨²n Stephan Roche, del Centro de Investigaci¨®n en Nanociencia y Nanotecnolog¨ªa, CIN2 (CSIC-ICN) de Barcelona, el trabajo del MIT es una forma muy innovadora de convertir energ¨ªa t¨¦rmica en energ¨ªa el¨¦ctrica con un rendimiento excepcional. Este investigador, miembro del grupo espa?ol de Teoria y Simulaci¨®n del CIN2, se?ala que esto ha sido posible gracias a la estructura muy particular de los nanotubos de carbono, as¨ª como por sus propiedades de alta conductividad electr¨®nica y t¨¦rmica. Esas propiedades ya est¨¢n en el origen de su posible integraci¨®n futura como elementos de conexiones met¨¢licas en la microelectr¨®nica. Los nanotubos de carbono pueden transportar densidades de corriente de magnitudes superior en comparaci¨®n con el cobre (el metal que se usa ahora en las ¨²ltimas generaciones de circuitos electr¨®nicos).

El descubrimiento del grupo estadounidense, asociado a un grupo coreano, reside en la posibilidad de generar un efecto tipo termoel¨¦ctrico pero de manera din¨¢mica, es decir, que se genera una propagaci¨®n de cargas el¨¦ctricas de manera concomitante a la propagaci¨®n de la onda t¨¦rmica, un fen¨®meno hasta ahora desconocido. La posibilidad de usar los nanotubos para recaudar una gran cantidad de calor y convertirla en electricidad abre nuevas perspectivas para muchos campos cient¨ªficos tanto en la direcci¨®n de dispositivos electr¨®nicos como para aplicaciones en energ¨ªa alternativas.