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  • Los investigadores hacen que el nanohilado sea práctico

    Una pequeña serie de puntas de silicio intercaladas entre electrodos produce "nanofibras" de plástico que podrían ser útiles para una gran cantidad de aplicaciones. Crédito:Dominick Reuter

    Las nanofibras, hebras de material de solo un par de cientos de nanómetros de diámetro, tienen una amplia gama de aplicaciones posibles:andamios para órganos de bioingeniería, filtros de aire y agua ultrafinos, y armadura corporal ligera de Kevlar, por nombrar unos cuantos. Pero hasta ahora, el gasto de producirlos los ha relegado a unos pocos de gama alta, aplicaciones de nicho.

    Luis Velásquez-García, un científico investigador principal en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT, y su grupo espera cambiar eso. En el Taller internacional sobre micro y nanotecnología para aplicaciones de generación y conversión de energía en diciembre, Velásquez-García, su alumno Philip Ponce de Leon, y Frances Hill, un postdoctorado en su grupo, describirá un nuevo sistema para hilar nanofibras que debería ofrecer aumentos significativos de productividad al tiempo que reduce drásticamente el consumo de energía.

    Usando técnicas de fabricación comunes en la industria de microchip, los investigadores de MTL construyeron una matriz de un centímetro cuadrado de puntas cónicas, que sumergieron en un líquido que contenía un plástico disuelto. Luego aplicaron un voltaje a la matriz, produciendo un campo electrostático que es más fuerte en las puntas de los conos. En una técnica conocida como electrohilado, los conos expulsan el plástico disuelto como una corriente que se solidifica en una fibra de solo 220 nanómetros de diámetro.

    En sus experimentos, los investigadores utilizaron una matriz de conos de cinco por cinco, que ya produce un aumento de siete veces en la productividad por centímetro cuadrado incluso sobre los mejores métodos existentes. Pero, Velásquez-García dice, debería ser relativamente sencillo empaquetar más conos en un chip, impulsando la productividad aún más. En efecto, él dice, en trabajos anteriores sobre una técnica similar llamada electropulverización, su laboratorio pudo meter casi mil emisores en un solo centímetro cuadrado. Y se pueden combinar varias matrices en un panel para aumentar aún más los rendimientos.

    Superficies, desde cero

    Dado que el nuevo documento se preparó para una conferencia sobre energía, se centra en aplicaciones energéticas. Pero las nanofibras podrían ser útiles para cualquier dispositivo que necesite maximizar la relación entre el área de la superficie y el volumen. Dice Velásquez-García. Los condensadores, componentes del circuito que almacenan electricidad, son un ejemplo, porque la capacitancia escala con el área de la superficie. Los electrodos utilizados en las pilas de combustible son otro, porque cuanto mayor es la superficie de los electrodos, cuanto más eficientemente catalizan las reacciones que impulsan la célula. Pero casi cualquier proceso químico puede beneficiarse del aumento de la superficie de los catalizadores, y el aumento del área de superficie de los armazones de órganos artificiales proporciona a las células más puntos en los que adherirse.

    Otra aplicación prometedora de las nanofibras es en mallas tan finas que solo permiten el paso de partículas a nanoescala. El ejemplo en el nuevo artículo proviene nuevamente de la investigación energética:las membranas que separan las mitades de una celda de combustible. Pero se podrían usar mallas similares para filtrar el agua. Tales aplicaciones, Velásquez-García dice, dependen fundamentalmente de la consistencia en el diámetro de la fibra, otro aspecto en el que la nueva técnica ofrece ventajas sobre sus predecesoras.

    Las técnicas de electrohilado existentes generalmente se basan en boquillas diminutas, a través del cual se fuerza el polímero disuelto. Las variaciones en las condiciones de funcionamiento y en la forma de las boquillas pueden provocar una gran variación en el diámetro de la fibra. y el sistema hidráulico de las boquillas significa que no pueden empaquetarse tan juntas. Algunos fabricantes han desarrollado dispositivos de hilado de fibra que utilizan campos electrostáticos, pero sus emisores se fabrican mediante procesos mucho más crudos que las técnicas de fabricación de chips que explotaron los investigadores de MTL. Como consecuencia, no solo las matrices de puntas son mucho menos densas, pero los dispositivos consumen más energía.

    "El campo electrostático aumenta si el diámetro de la punta es menor, "Dice Velásquez-García." Si tienes consejos de, decir, milímetro de diámetro, entonces, si aplica suficiente voltaje, puede desencadenar la ionización del líquido y hacer girar las fibras. Pero si puedes hacerlos más nítidos, entonces se necesita mucho menos voltaje para lograr el mismo resultado ".

    Mimbre malvado

    El uso de tecnologías de microfabricación no solo permitió a los investigadores de MTL empacar sus conos más apretados y afilar sus puntas, pero también les dio un control mucho más preciso de la estructura de las superficies de los conos. En efecto, los lados de los conos tienen una textura nudosa que ayuda a los conos a absorber el líquido en el que se disuelve el polímero. En experimentos en curso, los investigadores también han cubierto los conos con lo que Velásquez-García describe como una "lana" de nanotubos de carbono, que debería funcionar mejor con algunos tipos de materiales.

    En efecto, Velásquez-García dice, Los resultados de su grupo dependen no solo del diseño de los propios emisores, pero en un equilibrio preciso entre la estructura de los conos y su revestimiento texturizado, la fuerza del campo electrostático, y la composición del baño fluido en el que se sumergen los conos.

    "Fabricar emisores exactamente idénticos en paralelo con alta precisión y mucho rendimiento:esta es su principal contribución, en mi opinión, "dice Antonio Luque Estepa, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Universidad de Sevilla, especializado en deposición por electropulverización y electrohilado. "Fabricar uno es fácil. Pero 100 o 1, 000 de ellos, eso no es tan fácil. Muchas veces hay problemas con las interacciones entre una salida y la salida siguiente ".

    La técnica de microfabricación que emplea el grupo de Velásquez-García, Luque agrega, "no limita el número de salidas que pueden integrar en un chip". Aunque queda por ver hasta qué punto el grupo puede aumentar la densidad de emisores, Luque dice, confía en que "pueden multiplicar por diez lo que está disponible en este momento".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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