Jeffrey Grossman cree que hemos visto mal el carbón. En lugar de prenderle fuego ignorando así la complejidad molecular de este material tan variado, él dice, deberíamos aprovechar el valor real de esa diversidad y química compleja. El carbón podría convertirse en la base de los paneles solares, baterías o dispositivos electrónicos, él y su equipo de investigación dicen.

Como primera demostración de lo que ven como una amplia gama de usos potenciales de alta tecnología para este material tradicionalmente de baja tecnología, Hombre bruto, estudiante de doctorado Brent Keller, y la científica investigadora Nicola Ferralis han logrado hacer un simple dispositivo de calentamiento eléctrico que podría usarse para descongelar las ventanas de los automóviles o las alas de los aviones. o como parte de un implante biomédico. Al desarrollar esta aplicación inicial, también han caracterizado por primera vez en detalle la sustancia química, eléctrico, y propiedades ópticas de películas delgadas de cuatro tipos diferentes de carbón:antracita, lignito, y dos tipos bituminosos. Sus hallazgos acaban de ser publicados en la revista. Nano letras .

"Cuando miras al carbón como un material, y no solo como algo para quemar, la química es extremadamente rica, "dice Grossman, Morton and Claire Goulder and Family Professor en Sistemas Ambientales en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). La pregunta que quería hacer es:"¿Podríamos aprovechar la riqueza de la química en cosas como el carbón para fabricar dispositivos que tengan una funcionalidad útil?" La respuesta, él dice, es un sí rotundo.

Resulta, por ejemplo, que las variedades de carbón de origen natural, sin la purificación o refinamiento que se necesita para fabricar dispositivos electrónicos con silicio, tienen un rango de conductividades eléctricas que abarca siete órdenes de magnitud (diez millones de veces). Eso significa que una variedad determinada de carbón podría proporcionar inherentemente las propiedades eléctricas necesarias para un componente en particular.

Diseñando un proceso

Parte del desafío fue descubrir cómo procesar el material, Dice Grossman. Para eso, Keller desarrolló una serie de pasos para triturar el material hasta convertirlo en polvo, ponlo en solución, luego deposítelo en películas delgadas y uniformes sobre un sustrato, un paso necesario en la fabricación de muchos dispositivos electrónicos, desde transistores hasta fotovoltaica.

Aunque el carbón ha sido una de las sustancias más utilizadas por los seres humanos durante siglos, sus propiedades ópticas y electrónicas en masa nunca se habían estudiado realmente con el propósito de dispositivos avanzados.

"Nunca antes se había abordado el material de esta manera, "dice Keller, quien realizó gran parte del trabajo como parte de su tesis doctoral en DMSE, "para averiguar cuáles son las propiedades, qué características únicas podría haber ". Para hacerlo, desarrolló un método para hacer películas delgadas, que luego podría probarse en detalle y usarse para la fabricación de dispositivos.

Incluso este nuevo La caracterización detallada que llevaron a cabo es solo la punta de un gran iceberg, dice el equipo. Las cuatro variedades seleccionadas son solo algunas de las cientos que existen, todos con probables diferencias significativas. Y preparar y probar las muestras fue, desde el comienzo, un proceso inusual para los científicos de materiales. "Por lo general, queremos hacer materiales desde cero, combinando cuidadosamente materiales puros en proporciones precisas, "dice Ferralis, también en DMSE. En este caso, aunque, el proceso implica "seleccionar de entre esta enorme biblioteca de materiales, "todos con sus propias variaciones diferentes.

Usando la complejidad de la naturaleza

Si bien el carbón y otros combustibles fósiles se han utilizado durante mucho tiempo como materias primas para la industria química, haciendo de todo, desde plásticos hasta tintes y disolventes, Tradicionalmente, el material se ha tratado como otros tipos de mineral en bruto:algo para refinar en sus constituyentes básicos, átomos, o moléculas simples, que luego se recombinan para hacer el material deseado. Usando las químicas que la naturaleza ha proporcionado, tal como son, es un nuevo enfoque inusual. Y los investigadores encontraron que simplemente ajustando la temperatura a la que se procesa el carbón, podían ajustar muchas de las propiedades ópticas y eléctricas del material exactamente a los valores deseados.

El sencillo dispositivo de calentamiento que hizo el equipo como prueba de principio proporciona una demostración de principio a fin de cómo utilizar el material. de moler el carbón, a depositarlo como una película delgada y convertirlo en un dispositivo electrónico funcional. Ahora, ellos dicen, las puertas se abren para una amplia variedad de aplicaciones potenciales a través de una mayor investigación.

La gran ventaja potencial del nuevo material, Grossman dice:es su bajo costo derivado del material base inherentemente barato, combinado con un procesamiento de solución simple que permite bajos costos de fabricación. Gran parte del gasto asociado con el grafeno o el silicio de calidad de chip, por ejemplo, está en la purificación de los materiales. Sílice, la materia prima para chips de silicio, es barato y abundante, pero la forma altamente refinada necesaria para la electrónica (típicamente 99,999 por ciento pura o más) no lo es. El uso de carbón en polvo podría proporcionar una ventaja significativa para muchos tipos de aplicaciones, gracias a la sintonía de sus propiedades, su alta conductividad, y su robustez y estabilidad térmica.

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.