Estos días, La ingeniería aeroespacial tiene que ver con las cosas ligeras:construir aviones con alas más ligeras, fuselaje y tren de aterrizaje en un esfuerzo por reducir los costos de combustible.

En los últimos años se han utilizado compuestos avanzados de fibra de carbono para aligerar las cargas de los aviones. Estos materiales pueden igualar la resistencia del aluminio y el titanio, pero a una fracción del peso, y se puede encontrar en aviones como el Boeing 787 y el Airbus A380, reduciendo el peso de tales chorros en un 20 por ciento.

Para la próxima generación de aviones comerciales, los investigadores buscan materiales aún más resistentes y ligeros, como los compuestos hechos con fibras de carbono recubiertas con nanotubos de carbono, tubos diminutos de carbono cristalino. Cuando se dispone en determinadas configuraciones, Los nanotubos pueden ser cientos de veces más resistentes que el acero. pero solo una sexta parte del peso, hacer que estos compuestos sean atractivos para su uso en aviones, así como autos, trenes naves espaciales y satélites.

Pero un obstáculo importante para lograr tales compuestos radica en la nanoescala:los científicos que han intentado cultivar nanotubos de carbono en fibras de carbono han descubierto que hacerlo degrada significativamente las fibras subyacentes. despojándolos de su fuerza inherente.

Ahora, un equipo del MIT ha identificado la causa raíz de esta degradación de la fibra, e ideó técnicas para preservar la resistencia de las fibras. Aplicando sus descubrimientos, los investigadores recubrieron fibras de carbono con nanotubos sin causar degradación de la fibra, Haciendo que las fibras sean dos veces más fuertes que las fibras recubiertas de nanotubos anteriores, allanando el camino para compuestos de fibra de carbono que no solo son más fuertes, pero también más conductivo eléctricamente. Los investigadores dicen que las técnicas se pueden integrar fácilmente en los procesos actuales de fabricación de fibras.

"Hasta ahora, la gente básicamente estaba mejorando una parte del material pero degradando la fibra subyacente, y fue una compensación, no podías conseguir todo lo que querías, "dice Brian Wardle, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Con esta contribución, ahora puedes conseguir todo lo que quieras ".

Un artículo que detalla los resultados de Wardle y sus colegas se publica en la revista. Materiales e interfaces aplicados de ACS . Los coautores son el postdoctorado Stephen Steiner, quien contribuyó a la investigación como estudiante de posgrado, y Richard Li, un estudiante de posgrado que era un estudiante en el laboratorio de Wardle.

Llegar al meollo de la degradación de la fibra

Para comprender cómo se fabrican las fibras de carbono, el grupo visitó plantas de producción de fibra de carbono en Japón, Alemania y Tennessee. Se destacó un aspecto del proceso de fabricación de fibras:durante la fabricación, las fibras se estiran hasta cerca de su punto de rotura a medida que se calientan a altas temperaturas. A diferencia de, Los investigadores que han intentado cultivar nanotubos en fibras de carbono en el laboratorio no suelen utilizar tensión en sus procesos de fabricación.

Para replicar el proceso de fabricación que presenciaron, Li y Steiner diseñaron un aparato a pequeña escala hecho de grafito. Los investigadores ensartaron fibras de carbono individuales, cada una 10 veces más delgada que un cabello humano, a través del dispositivo, como las cuerdas de una guitarra, y colgó pequeñas pesas en cada extremo de cada fibra, tirando de ellos tensos. Luego, el grupo cultivó nanotubos de carbono en las fibras, primero cubriendo las fibras con un conjunto especial de revestimientos, y luego calentar las fibras en un horno. Luego utilizaron la deposición de vapor químico para hacer crecer una capa difusa de nanotubos a lo largo de cada fibra.

Para que los nanotubos crezcan, la fibra normalmente necesita ser recubierta con un catalizador metálico como el hierro, pero los investigadores han planteado la hipótesis de que dichos catalizadores también podrían ser la fuente de degradación de las fibras. En sus experimentos, sin embargo, Steiner y Li descubrieron que el catalizador solo contribuía a aproximadamente el 15 por ciento de la degradación de la fibra.

"Cuando llegamos al meollo del asunto, encontramos que el catalizador de metal, el culpable percibido, resultó ser más cómplice, "Dice Steiner." Pudimos ver que hizo un pequeño daño, pero no fue lo que realmente acabó con todo ".

En lugar de, el grupo encontrado, después de más experimentos, que la mayor parte de la degradación de las fibras se debió a un fenómeno mecanoquímico no identificado previamente que surge de la falta de tensión cuando las fibras de carbono se calientan por encima de una determinada temperatura.

Acondicionador de cabello al revés

Después de identificar las causas de la degradación de la fibra, los investigadores idearon dos estrategias prácticas para cultivar nanotubos en fibra de carbono que preservan la resistencia de la fibra.

Primero, el equipo cubrió la fibra de carbono con una capa de cerámica de alúmina para "disfrazarla", permitiendo que el catalizador de hierro se adhiera a la fibra sin degradarla. La solución, sin embargo, vino con otro desafío:la capa de alúmina seguía desprendiéndose.

Para mantener la alúmina en su lugar, el equipo desarrolló un recubrimiento de polímero llamado K-PSMA, que, como lo describe Steiner, funciona como acondicionador de cabello a la inversa. Los acondicionadores para el cabello tienen dos características químicas aparentemente opuestas:un componente absorbente de agua que permite que el acondicionador se adhiera al cabello, y un componente impermeable que evita que el cabello se encrespe. Igualmente, K-PSMA tiene componentes hidrofílicos e hidrofóbicos, pero su característica impermeable se adhiere a la fibra de carbono, mientras que el componente absorbente de agua atrae la alúmina y el catalizador metálico.

En sus experimentos, los investigadores encontraron que el recubrimiento permitía que la alúmina y el catalizador metálico se pegaran, sin tener que agregar otros procesos, como grabar previamente la superficie de la fibra. El equipo colocó las fibras recubiertas bajo tensión, y cultivó nanotubos con éxito sin dañar la fibra.

Para la segunda estrategia del grupo, Steiner observó que puede ser posible eliminar la necesidad de tensión reduciendo la temperatura de crecimiento de los nanotubos. Usando un proceso de crecimiento de nanotubos recientemente descubierto junto con K-PSMA, El equipo demostró que es posible cultivar nanotubos a una temperatura mucho más baja, casi 300 grados Celsius más fría de lo que se usa normalmente, evitando dañar la fibra subyacente. .

"Este proceso reduce no solo la cantidad de energía y el volumen de gas necesarios, pero la cantidad de sustancias extrañas que tienes que poner en la fibra, ", Dice Steiner." En realidad, es bastante simple y rentable ".

Milo Shaffer, profesor de química de materiales en el Imperial College, Londres, dice que las técnicas de fibra de carbono del grupo pueden ser útiles en el diseño de compuestos para su uso en electrodos y filtros de aire. Un siguiente paso hacia este objetivo, él dice, es asegurarse de que las diversas capas y recubrimientos de la fibra permanezcan en su lugar.

"Este resultado indica un factor importante a incorporar en futuros desarrollos de 'fibra de carbono peluda', "dice Shaffer, que no contribuyó a la investigación. "El efecto de las diversas combinaciones de recubrimientos en la fijación [de nanotubos], y la eventual (y crítica) adhesión fibra-matriz en composites, queda por explorar ".

Los investigadores han presentado una patente para las dos estrategias, e imaginar compuestos de fibra avanzados que incorporen sus técnicas para una amplia gama de aplicaciones.

"No hay mucha gente que esté innovando la química de materiales para aplicaciones estructurales aeroespaciales avanzadas, ", Dice Steiner." Creo que esto es particularmente emocionante, y tiene una posibilidad muy real de tener un impacto a gran escala en el medio ambiente, y sobre el desempeño de los vehículos aeroespaciales ".

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.