Un equipo internacional de científicos ha desarrollado lo que puede ser el primer proceso de un solo paso para fabricar nanomateriales a base de carbono sin costuras que poseen propiedades térmicas superiores, propiedades eléctricas y mecánicas en tres dimensiones.

La investigación tiene potencial para un mayor almacenamiento de energía en baterías y supercondensadores de alta eficiencia, aumentar la eficiencia de la conversión de energía en las células solares, para revestimientos térmicos ligeros y más. El estudio se publica hoy en la revista online Avances de la ciencia .

En las primeras pruebas, un supercondensador tridimensional (3D) similar a una fibra fabricado con fibras ininterrumpidas de nanotubos de carbono y grafeno igualaba o mejoraba, en un factor de cuatro, las capacidades récord reportadas para este tipo de dispositivo.

Se utiliza como contraelectrodo en una celda solar sensibilizada con colorante, el material permitió que la celda convirtiera energía con una eficiencia de hasta el 6,8 por ciento y más del doble el rendimiento de una celda idéntica que en su lugar utilizaba un costoso contraelectrodo de alambre de platino.

Los nanotubos de carbono podrían ser altamente conductores a lo largo de la longitud de los nanotubos 1D y las láminas de grafeno bidimensionales en el plano 2D. Pero los materiales se quedan cortos en un mundo tridimensional debido a la mala conductividad entre capas, al igual que los procesos de dos pasos que fusionan nanotubos y grafeno en tres dimensiones.

"Los procesos de dos pasos que nuestro laboratorio y otros desarrollados anteriormente carecen de una interfaz perfecta y, por lo tanto, falta la conductancia buscada, "dijo Liming Dai, el Profesor Kent Hale Smith de Ciencia e Ingeniería Macromolecular en la Universidad Case Western Reserve y líder de la investigación.

"En nuestro proceso de un solo paso, la interfaz está hecha con enlace de carbono a carbono, por lo que parece como si fuera una sola hoja de grafeno, "Dijo Dai." Eso lo convierte en un excelente conductor térmico y eléctrico en todos los planos ".

Dai ha trabajado durante casi cuatro años con Zhong Lin Wang, la Cátedra Hightower en Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Yong Ding, un científico investigador senior, en el Instituto de Tecnología de Georgia; y Zhenhai Xia, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, en la Universidad del Norte de Texas; Ajit Roy, ingeniero principal de investigación de materiales en la Dirección de Materiales y Fabricación, Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, Dayton; y otros en un programa de Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) del Departamento de Defensa de EE. UU. (Joycelyn Harrison, Director del programa). También se hizo una estrecha colaboración con Yuhua Xue, el investigador asociado en CWRU y académico visitante del Instituto de Materiales Avanzados para Aplicaciones Nano-Bio, Escuela de Oftalmología y Optometría, Universidad Médica de Wenzhou, junto con Jia Qu y Hao Chen, profesores de la Universidad Médica de Wenzhou.

Para hacer el material 3-D, Los investigadores grabaron nanoagujeros alineados radialmente a lo largo y circunferencia de un diminuto alambre de aluminio. luego utilizó la deposición de vapor químico para cubrir la superficie con grafeno sin utilizar un catalizador metálico que pudiera permanecer en la estructura.

"Los nanotubos alineados radialmente crecen en los agujeros. El grafeno que envuelve el alambre y las matrices de nanotubos están unidos covalentemente, formando uniones nodales de carbono puro a carbono que minimizan la resistencia térmica y eléctrica, "Dijo Wang.

La arquitectura ofrece una gran superficie, añadiendo a las propiedades de transporte, dicen los investigadores. Usando el Brunauer, Teoría de Emmett y Teller, calculan que la superficie de esta arquitectura es de casi 527 metros cuadrados por gramo de material.

Las pruebas demostraron que el material es un electrodo ideal para un almacenamiento de energía altamente eficiente. La capacitancia por área alcanzó hasta 89,4 milifaradios por centímetro cuadrado y por longitud, hasta 23,9 milifaradios por centímetro en el supercondensador similar a una fibra.

Las propiedades se pueden personalizar. Con el proceso de un paso, el material se puede hacer muy largo, o en un tubo con un diámetro más ancho o más estrecho, y la densidad de los nanotubos se puede variar para producir materiales con diferentes propiedades para diferentes necesidades.

El material se puede utilizar para el almacenamiento de carga en condensadores y baterías o la gran superficie podría permitir el almacenamiento de hidrógeno. "Las propiedades podrían usarse para una variedad aún más amplia de aplicaciones, incluyendo sensores sensibles, electrónica portátil, gestión térmica y sistemas aeroespaciales multifuncionales ", Dijo Roy.

Los científicos continúan explorando las propiedades que se pueden derivar de estas fibras de una sola capa de grafeno 3D y están desarrollando un proceso para fabricar fibras multicapa.