Un gel de nanocristales versátil podría permitir avances en energía, defensa y telecomunicaciones

Este gráfico muestra el material en su estado gelificado (izquierda) y en su estado no gelificado (derecha). Cuando el material se calienta (derecha), los enlaces químicos entre los nanocristales se rompen y el gel se descompone. Cuando el material se enfría (izquierda), se forman enlaces químicos entre los nanocristales y se organizan en una red (el gel). El enlace molecular (arriba) que controla la gelificación en función de la temperatura se entiende mediante simulaciones de supercomputadoras (abajo). Crédito:Kang, Valenzuela, et al./UT Austin

Las nuevas aplicaciones en energía, defensa y telecomunicaciones podrían recibir un impulso después de que un equipo de la Universidad de Texas en Austin creara un nuevo tipo de "gel de nanocristales", un gel compuesto de diminutos nanocristales cada uno 10 000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano que se unen en una red organizada.

El quid del descubrimiento del equipo es que este nuevo material es fácilmente sintonizable. Es decir, se puede cambiar entre dos estados diferentes cambiando la temperatura. Esto significa que el material puede funcionar como un filtro óptico, absorbiendo diferentes frecuencias de luz dependiendo de si está en estado gelificado o no. Así, podría usarse, por ejemplo, en el exterior de los edificios para controlar dinámicamente la calefacción o la refrigeración. Este tipo de filtro óptico también tiene aplicaciones para la defensa, particularmente para el camuflaje térmico.

Los geles se pueden personalizar para estas amplias aplicaciones porque tanto los nanocristales como los enlazadores moleculares que los conectan en redes son componentes de diseño. Los nanocristales se pueden ajustar químicamente para que sean útiles en el enrutamiento de comunicaciones a través de redes de fibra óptica o para mantener constante la temperatura de las naves espaciales en cuerpos planetarios remotos. Los enlazadores se pueden diseñar para hacer que los geles cambien según la temperatura ambiente o la detección de toxinas ambientales.

"Se podría cambiar la firma de calor aparente de un objeto cambiando las propiedades infrarrojas de su piel", dijo Delia Milliron, profesora y directora del Departamento de Ingeniería Química de McKetta en la Escuela de Ingeniería de Cockrell. "También podría ser útil para las telecomunicaciones que utilizan longitudes de onda infrarrojas".

Este video muestra la capacidad de ajuste del material con el cambio de temperatura. La muestra comienza en su estado no gelificado (etiquetado como "dispersión"). A medida que el material se enfría, comienza a transformarse en un gel de nanocristales (denominado "transición de sol a gel"), hasta que toda la muestra adopta la forma de gel. A continuación, se aplica calor y el gel de nanocristales se descompone nuevamente. Crédito:Escuela de Ingeniería Cockrell, Universidad de Texas en Austin

La nueva investigación se publica en el número reciente de la revista Science Advances .

El equipo, dirigido por los estudiantes graduados Jiho Kang y Stephanie Valenzuela, realizó este trabajo a través del Centro de Dinámica y Control de Materiales de la universidad, un Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias que reúne a ingenieros y científicos de todo el campus para colaborar en materiales. investigación científica.

Los experimentos de laboratorio permitieron al equipo ver el cambio del material entre sus dos estados de gel y no gel (es decir, nanocristales que flotan libremente suspendidos en líquido) que activaron por cambios de temperatura específicos.

Las simulaciones de supercomputadora realizadas en el Centro de Computación Avanzada de Texas de UT les ayudaron a comprender lo que estaba sucediendo en el gel a nivel microscópico cuando se aplicaba calor. Basándose en teorías de la química y la física, las simulaciones revelaron los tipos de enlaces químicos que mantienen unidos a los nanocristales en una red y cómo esos enlaces se rompen cuando se golpean con calor, lo que hace que el gel se rompa.

Esta simulación muestra 100 nanocristales a una temperatura superior al umbral de gelificación. Aquí, la mayoría de los nanocristales permanecen en un estado de flujo libre sin adherirse entre sí, lo que se denomina dispersión. Crédito:Kang, Valenzuela y otros/UT Austin

Este es el segundo gel de nanocristal único creado por este equipo, y continúan buscando avances en este campo. Kang está trabajando actualmente para crear un gel de nanocristales que pueda cambiar entre cuatro estados, haciéndolo aún más versátil y útil. Ese gel sería una mezcla de dos tipos diferentes de nanocristales, cada uno capaz de cambiar entre estados en respuesta a señales químicas o cambios de temperatura. Estos geles de nanocristales sintonizables se denominan materiales "programables". + Explora más