Convencional (A, B) y nuevos (C) métodos para sintetizar fibras de carbono a partir de varios precursores de polímeros. (A) Pure PAN se electrohila en una estera de fibra, oxidado a 280 ° C en aire para reticular PAN (azul), y luego pirolizado a 800 ° C en N2 para generar fibras de carbono (gris). Una fibra de polímero individual (violeta) se amplía como ilustración. (B) PAN se mezcla con PMMA de sacrificio (rojo) para formar una mezcla de polímeros. Después de la oxidación, la mezcla de polímeros se separa macrofase y forma dominios no uniformes. Después de la pirólisis, Se elimina el PMMA, resultando en poros no uniformes. (C) La microfase de copolímero de bloque de PAN-b-PMMA se separa en nanodominios de PMMA uniformes (rojo) en una matriz de PAN (azul) después de la oxidación y el autoensamblaje. Después de la pirólisis, las fibras de carbono porosas contienen poros bien controlados y distribuidos uniformemente. Crédito:Virginia Tech
Un profesor de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech quiere impulsar aviones y automóviles utilizando la energía almacenada en sus carcasas exteriores. Es posible que haya descubierto un camino hacia esa visión utilizando fibras de carbono porosas hechas de lo que se conoce como copolímeros de bloque.
Fibras de carbono, ya conocido como material de ingeniería de alto rendimiento, son ampliamente utilizados en las industrias aeroespacial y automotriz. Una aplicación son las carcasas de automóviles de lujo como Mercedes-Benz, BMW, o Lamborghini.
Fibras de carbono, finas hebras de carbón parecidas a cabellos, Poseen múltiples propiedades de materia prima:son mecánicamente fuertes, químicamente resistente, Conducto electrico, retardante de fuego, y quizás lo más importante, ligero. El peso de las fibras de carbono mejora la eficiencia energética y del combustible, produciendo jets y vehículos más rápidos.
Diseño de materiales para estructura y función.
Guoliang "Greg" Liu, un profesor asistente en el Departamento de Química, concibió la idea de crear fibras de carbono que no solo fueran útiles estructuralmente; también serían funcionalmente útiles.
"¿Y si podemos diseñarlos para que tengan funcionalidad, como el almacenamiento de energía? ", dijo Liu, también miembro del Instituto de Innovación de Macromoléculas. "Si quieres que almacenen energía, necesita tener sitios para colocar iones ".
Liu dijo que idealmente las fibras de carbono podrían diseñarse para tener microagujeros distribuidos uniformemente por todas partes, similar a una esponja, que almacenaría iones de energía.
Después de ajustar un método convencional de larga data para producir fibras de carbono químicamente, Liu ahora ha desarrollado un proceso para sintetizar fibras de carbono porosas por primera vez con tamaño y espaciado uniformes. Detalla este trabajo en un artículo publicado recientemente en la revista de alto impacto. Avances de la ciencia .
"Hacer fibras de carbono porosas no es fácil, "Dijo Liu." La gente ha intentado esto durante décadas. Pero la calidad y uniformidad de los poros de las fibras de carbono no fueron satisfactorias.
"Diseñamos, sintetizado, y luego procesó estos polímeros en el laboratorio, y luego las convertimos en fibras de carbono porosas ".
Imágenes de un microscopio electrónico de barrido (SEM) de fibras de carbono hechas de PAN (izquierda), (medio) PAN / PMMA, y (derecha) PAN-b-PMMA. El laboratorio de Liu usó PAN-b-PMMA para crear fibras de carbono con poros espaciados y de tamaño más uniforme. Crédito:Virginia Tech
Uso de copolímeros de bloque para crear fibras de carbono porosas
Liu utilizó un proceso químico de varios pasos con dos polímeros:largo, cadenas repetidas de moléculas, llamadas poliacrilonitrilo (PAN) y poli (metacrilato de metilo en bloque de acrilonitrilo) (PMMA).
PAN es bien conocido en el campo de la química de polímeros como un compuesto precursor de las fibras de carbono, y el PMMA actúa como un material de mantenimiento de lugar que luego se elimina para crear los poros.
Pero en el pasado otros químicos habían mezclado típicamente PAN y PMMA por separado en una solución. Esto creó fibras de carbono porosas pero con poros espaciados y de diferente tamaño. El almacenamiento de energía se puede maximizar con una mayor superficie, que ocurre con los más pequeños, poros uniformes.
A Liu se le ocurrió la nueva idea de unir PAN y PMMA, creando lo que se conoce como un copolímero de bloque. La mitad del polímero compuesto es PAN, y la otra mitad es PMMA, y están unidos covalentemente en el medio.
"Esta es la primera vez que utilizamos copolímeros de bloque para fabricar fibras de carbono y la primera vez que utilizamos fibras de carbono porosas basadas en copolímeros de bloque en el almacenamiento de energía, "Dijo Liu." A menudo, solo pensamos desde el punto de vista del proceso, pero aquí estamos pensando desde el punto de vista del diseño de materiales ".
Después de sintetizar el copolímero de bloque en el laboratorio, la solución viscosa se sometió luego a tres procesos químicos para lograr fibras de carbono porosas.
El primer paso es el electrohilado, un método que usa fuerza eléctrica para crear hebras fibrosas y endurecer la solución en un material similar al papel. Próximo, Liu sometió el polímero a un proceso de calentamiento por oxidación. En este paso, el PAN y el PMMA se separaron de forma natural y se autoensamblaron en las hebras de PAN y dominios uniformemente dispersos de PMMA.
En el paso final, conocido como pirólisis, Liu calentó el polímero a una temperatura aún más alta. Este proceso solidificó PAN en carbono y eliminó PMMA, dejando atrás mesoporos y microporos interconectados en toda la fibra.
Nuevas posibilidades en almacenamiento de energía
Aunque este avance mejora un material de ingeniería que ya de por sí de alto rendimiento, quizás el mayor avance sea la capacidad de usar copolímeros de bloque para crear estructuras porosas uniformes para las posibilidades de almacenamiento de energía.
"Abre la forma en que pensamos sobre el diseño de materiales para el almacenamiento de energía, "Dijo Liu." Ahora también podemos empezar a pensar en la funcionalidad. No solo utilizamos (fibras de carbono) como material estructural, sino también como material funcional ".
Liu había estado jugando con esta idea desde que se unió a Virginia Tech en 2014, pero comenzó una investigación formal sobre esta idea después de presentar una propuesta ganadora a través del Programa de Jóvenes Investigadores de la Fuerza Aérea (YIP) en 2016.
