Superman puede exprimir un trozo de carbón y convertirlo en un diamante brillante, en los cómics, de todas formas. Hay cierta validez científica en esta hazaña ficticia. El carbón y los diamantes están compuestos de carbono. Los dos materiales difieren en su disposición microscópica de átomos, y eso lleva a una gran diferencia en apariencia, conductividad, dureza y otras propiedades.

Como esto muestra, la microestructura de los materiales a base de carbono es importante. La optimización de la microestructura del carbono podría beneficiar las aplicaciones de almacenamiento de energía, sensores y sistemas de materiales nucleares de próxima generación.

Ahora, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL) ha realizado un estudio que podría conducir a métodos mejorados para ajustar la microestructura del carbono. Los científicos informaron sobre su trabajo en junio de 2020. Materiales hoy Química papel.

Creando estructura cristalina

Kunal Mondal, un investigador de ciencia de materiales de INL, llevó a cabo los experimentos del grupo, lo que implicó someter pequeñas películas y fibras de carbono a temperaturas de hasta 3000 ° C (5400 ° F). Ese calor hizo que la microestructura en las películas y fibras se volviera menos desordenada (o amorfa) y más parecida a un diamante (o cristalina).

"Cuando la estructura del carbono se vuelve más cristalina, hace posibles muchas cosas. Primero, aumenta la conductividad del carbono. Eso significa que puedes sacarle muchas buenas aplicaciones, "dijo Mondal, el autor principal del artículo. Algunas de estas aplicaciones incluyen baterías y sensores, añadió.

Un objetivo de la investigación fue ver cómo variaba la microestructura final según la temperatura y el material de partida.

Para el material inicial, los investigadores hilaron fibras de carbono en miniatura y recubrieron sustratos con películas delgadas de carbono. Trataron térmicamente estos precursores de polímeros a temperaturas que oscilan entre 1000 y 3000 ° C. Luego examinaron los resultados con microscopios electrónicos de transmisión y otros instrumentos. determinar el grado de conversión de un polímero poco organizado a uno más estructurado, arreglo cristalino.

Atajos en la hoja de ruta de la microestructura

Los tratamientos térmicos se utilizan en todo el mundo para crear materiales compuestos de carbono con la microestructura deseada. que varía según la aplicación. Los precursores que seleccionaron los investigadores también se utilizan ampliamente. Sin embargo, la producción comercial con estos precursores y métodos de fabricación puede ser un proceso complejo que requiere una serie de tratamientos térmicos precisos y otras acciones.

La receta final de un producto puede obtenerse mediante prueba y error, que a veces puede ser extenso. Los objetivos de la investigación INL, entre otras cosas, para proporcionar una hoja de ruta con atajos para acelerar esta búsqueda.

Entonces, además del trabajo experimental, el grupo INL también realizó simulaciones que modelaron cómo evolucionarían las fibras y películas durante el tratamiento térmico. Gorakh Pawar, otro coautor del artículo y científico del personal de INL en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, manejó estas simulaciones. Los modelos informáticos predijeron resultados similares a los resultados experimentales. El trabajo fue financiado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de INL.

El estudio de INL proporciona pistas que pueden usarse para ayudar a diseñar precursores y procesos que producirán nanoestructuras preferidas. Dijo Pawar. Por ejemplo, comenzar con una película resultó en una mayor movilidad de electrones que la que resultó al comenzar a partir de fibras, lo que podría ser una consecuencia de los muchos límites de una fibra y su impacto en el libre movimiento de electrones. Entonces, para un sensor u otra aplicación donde la conductividad es importante, comenzar con una película puede llevar a un dispositivo más sensible, es más rápido o usa menos energía.

Al explorar todas las posibles combinaciones de pasos de procesamiento, investigadores en laboratorios nacionales, en la industria y en otros lugares deben ser rentables en sus investigaciones y resultados. Simulaciones como las realizadas por el grupo INL pueden ayudar a minimizar el tiempo, esfuerzo y gasto de concentrarse en el proceso y el material de partida correctos.

"No puede ejecutar un experimento para siempre. Necesita orientación para optimizar su protocolo experimental, "Dijo Pawar.

Carga de baterías más rápido

En cuanto a las posibles aplicaciones de la investigación del grupo, señaló que conseguir la microestructura correcta es fundamental en, por ejemplo, una batería de iones de litio.

Estas baterías tienen un electrodo de grafito, una forma de carbono. Al operar la batería, los iones de litio se almacenan entre capas en el grafito, lo que significa que la cantidad de huecos y defectos en el material es importante. Con grafito de la estructura adecuada, que el movimiento de iones puede ser rápido, un requisito para una carga extremadamente rápida. Sin embargo, los materiales de grafito no pueden ser tan porosos que inutilicen el electrodo.

Dicha carga podría permitir que los vehículos eléctricos obtengan el equivalente a un tanque lleno de gasolina en minutos en lugar de horas. Esa capacidad haría que la operación de estos automóviles y camiones libres de emisiones fuera similar a lo que la gente está acostumbrada a los vehículos actuales que funcionan con gasolina. Esto significa que el proyecto de investigación de INL podría resultar beneficioso para descubrir cómo lograr ese tipo de desempeño, una capacidad que buscan los consumidores.

"Ese es nuestro objetivo futuro en el almacenamiento de energía:cómo podemos optimizar esta estructura de grafito, "Dijo Pawar.

Para ayudar a lograr eso, los investigadores continúan ampliando su comprensión de las microestructuras de carbono y cómo se pueden producir. En el final, este trabajo puede ayudar a crear una batería de vehículo eléctrico que pueda alcanzar la carga completa rápidamente, o para decirlo en términos de superhéroe, más rápido que una bala.