Alquitrán, el material cotidiano que sella las costuras en nuestros techos y entradas, tiene una complejidad inesperada y poco apreciada, según un equipo de investigación del MIT:algún día podría ser útil como materia prima para una variedad de dispositivos de alta tecnología, incluidos los sistemas de almacenamiento de energía, revestimientos térmicamente activos, y sensores electrónicos.

Y no es solo alquitrán. El profesor Jeffrey Grossman también tiene una visión muy diferente de otros combustibles fósiles. En lugar de utilizar estos materiales como productos baratos para quemar, sellar las grietas con, o deshacerse de, él ve potencial para una amplia variedad de aplicaciones que aprovechan la química altamente compleja incrustada en estas antiguas mezclas de compuestos de carbono derivados de la biomasa.

Un beneficio significativo de estas aplicaciones es que proporcionan una forma de reutilizar materiales que de otro modo se quemarían. aumentando las emisiones de gases de efecto invernadero, o desechados en vertederos. Estos usos podrían conducir a una "ecologización" del carbón y otros materiales a base de carbono que de otro modo serían dañinos para el clima. Dice Grossman.

En su última investigación, Hombre bruto, junto con el postdoctorado Xining Zang, la científica investigadora Nicola Ferralis, y otros cinco, encontró formas de usar carbón, alquitrán, y brea para producir recubrimientos delgados con conductividad eléctrica altamente controlable y reproducible, porosidad, y otras propiedades. Usando un láser, pudieron hacer prototipos de dispositivos a partir de los económicos, materiales ubicuos, incluyendo un supercondensador para almacenar electricidad, una galga extensométrica flexible, y un calentador transparente.

La obra, descrito en la revista Avances de la ciencia , explora formas alternativas de utilizar hidrocarburos pesados ​​carbonosos, que se han formado durante millones de años de procesamiento geológico de materia vegetal en descomposición a través del calor y la presión. Estos materiales, Grossman dice:proporcionar una rica variedad de configuraciones atómicas con diferentes propiedades químicas y estructurales, incomparable con cualquier sintético, nanomateriales procesados ​​a base de carbono.

Para hacer uso de estas propiedades del material, el equipo utilizó un proceso llamado recocido láser para crear capas ultrafinas de materiales carbonosos, depositado sobre un sustrato. Produjeron dispositivos funcionales específicos depositando y grabando patrones en capas hechas de diferentes materiales a base de carbono.

En un sentido, lo que hizo el equipo fue lo contrario al procesamiento tradicional de combustibles fósiles, en el que la mezcla compleja de hidrocarburos experimenta etapa tras etapa de ruptura de enlaces químicos y separación de diferentes compuestos. En este trabajo, los diversos tipos de complejos de hidrocarburos pesados ​​se utilizaron tal como están, haciendo uso de la amplia variedad de propiedades que se encuentran en los diferentes materiales:tipos de carbón, alquitrán craqueado al vapor de petróleo, y brea mesofásica, la mayoría de los cuales son subproductos que normalmente deben eliminarse o combustibles que se están eliminando rápidamente.

Mediante una combinación de seleccionar el material de alimentación adecuado y variar el tiempo y la fuerza de los pulsos de láser utilizados para recocer el material, el equipo fue capaz de controlar una serie de funciones físicas, óptico, eléctrico, magnético, y otras propiedades. Combinando diferentes materiales, ellos dicen, se podría producir toda una gama de dispositivos a la vez sobre un solo sustrato.

"Luego podemos crear de todo, desde grafeno hasta algún tipo de polímeros ricos en aromáticos, "dice Ferralis, "y con propiedades que podrían cambiar mucho, de ser aislantes térmicos y eléctricos, a conductores térmicos y eléctricos. Podemos cambiar la porosidad de modo que nos permita no solo crear películas sólidas, sino también para crear materiales muy porosos, para que podamos fabricar membranas ".

Esta variedad de propiedades del material se puede mezclar y combinar, quizás habilitando, por ejemplo, la creación de una variedad de "tintas" carbonáceas para la impresión 3D, él dice.

"Pero en lugar de cambiar los colores, "Ferralis dice, "en realidad, cambia el tipo de precursor que produce. Agrega un poco más de alquitrán, un poco menos de tono, o un poco más de cualquiera de las otras cosas que destacamos en el artículo. Que podría dar por ejemplo, la capacidad de hacer, dentro de la misma película, una membrana, un dispositivo eléctrico, y un sistema de almacenamiento de energía, y así sucesivamente y así sucesivamente, Bajo demanda."

Los materiales pueden ser prácticamente cualquier tipo de hidrocarburo pesado, muchos de los cuales existen en gran abundancia como productos de desecho de la producción de petróleo o del procesamiento químico. "Básicamente, lo que estamos buscando es cualquier material que tenga un alto contenido de aromáticos, es decir, hidrocarburos pesados ​​que la gente no sabe qué hacer con ellos, "Dice Zang." Así que somos bastante agnósticos sobre lo que podemos usar ".

Mediante el uso de pulsos sincronizados y sincronizados con precisión de un láser de dióxido de carbono, el equipo pudo controlar las propiedades del material recubierto, explotándolo con pulsos que podrían generar temperaturas muy localizadas de hasta 2, 000 grados Celsius, dejando las áreas circundantes tan intactas que el proceso podría llevarse a cabo incluso en sustratos blandos como plásticos, ellos dicen.

"Tenemos esta muy heterogénea, materia prima desordenada, "dice Grossman, "pero es tan barato y rico en química útil". La idea es comprenderlo lo suficientemente bien como para poder "aplicar herramientas de fabricación escalables para que podamos aprovechar este conocimiento para hacer algo diferente para nosotros ". En pocas palabras, él dice, "estamos encontrando este material que antes se pensaba que tenía un uso limitado (solo como combustible para quemar, por ejemplo), y al comprender su estructura atómica, podemos aplicar principios de diseño e ingeniería de materiales para que sea útil en formas más amplias ".

Si bien este trabajo inicial se centró en películas delgadas, las materias primas son tan económicas que, en última instancia, dichos materiales también podrían utilizarse para aplicaciones a granel, Dice Ferralis. "Si podemos ampliar este proceso a sistemas a granel, esto podría usarse en materiales estructurales, por ejemplo, o aislamiento para hogares. Cosas que realmente requieren una gran cantidad de material ". Incluso podría proporcionar un impulso económico para las regiones productoras de carbón que ahora sufren el colapso de la industria de las centrales eléctricas de carbón para convertirse en productores de una familia completamente nueva de productos de mayor valor. , él sugiere.

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.