Aerografeno nanomaterial utilizado para crear bombas extremadamente potentes

El llamado aeromaterial "aerografeno" parece una espuma negra, pero está compuesto por un 99,9 % de aire y puede soportar cargas extremadamente altas. Crédito:Julia Siekmann, Uni Kiel

Un equipo de investigación internacional dirigido por Kiel ha desarrollado un nuevo método para la generación de explosiones eléctricas controlables. Teóricamente, solo se necesitan 450 gramos de este material para levantar un elefante:"Aerographene" debe esta capacidad a su estructura única a nivel nano. Visualmente similar a una espuma negra, en realidad consiste en una red tubular finamente estructurada basada en grafeno con numerosas cavidades. Esto lo hace extremadamente estable, conductivo y casi tan liviano como el aire. Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de materiales de la Universidad de Kiel (CAU) ha dado un paso importante hacia las aplicaciones prácticas. Han logrado calentar y enfriar repetidamente el aerógrafo y el aire contenido en su interior a temperaturas muy altas en un período de tiempo extremadamente corto. Esto permite bombas extremadamente potentes, aplicaciones de aire comprimido o filtros de aire esterilizantes en miniatura. El artículo apareció como artículo de portada en el número actual de la reconocida revista científica Materials Today .

"Cuando introdujimos estos materiales por primera vez, eran la clase de materiales más livianos del mundo hasta la fecha, con una densidad de solo 0,2 miligramos por centímetro cúbico. Como eso es prácticamente aire, los llamamos 'aeromateriales'", recuerda Rainer Adelung. El profesor de Nanomateriales Funcionales de la CAU había desarrollado los materiales, que se presentaron por primera vez en 2012, junto con colegas de la Universidad Tecnológica de Hamburgo. Las fascinantes propiedades de los aeromateriales generaron interés en todo el mundo y se han investigado intensamente desde entonces, por ejemplo, en la importante iniciativa de investigación europea "Graphene Flagship".

Este nuevo estudio proporciona una contribución sobre cómo los aeromateriales podrían pasar de la investigación básica a la aplicación. Los científicos de materiales de Kiel, junto con colegas de la Technische Universität Dresden, la Universidad del Sur de Dinamarca, la Universidad de Trento, la Universidad Queen Mary de Londres, han descubierto otras propiedades que permiten innovaciones en neumática, robótica o tecnología de filtros de aire.

El modelo muestra la estructura interna de filigrana, una red de tubos de grafeno que hace que el aerografeno sea tan liviano y conductor. Crédito:Julia Siekmann, Uni Kiel

'Aerographene' se puede calentar y enfriar muy rápido

"En nuestros experimentos, hemos descubierto que los aeromateriales hechos de grafeno y otros nanomateriales conductores pueden calentarse eléctricamente de manera extremadamente rápida, hasta varios cientos de grados por milisegundo, debido a su baja densidad", explica el Dr. Fabian Schütt de la CAU, quien dirigió y realizó los experimentos junto con el Dr. Florian Rasch. Para hacerlo, los científicos de materiales utilizaron el aeromaterial "aerographene", que consta de solo unas pocas capas de átomos de carbono y un 99,9% de aire. Cuando se calienta, este aire contenido dentro del material también se calienta extremadamente rápido y se expande. En el caso de un calentamiento muy rápido, se produce una expansión de volumen y se habla de "explosión". "Esto significa que ahora podemos usar aerografeno para iniciar pequeñas explosiones controlables y repetibles que no requieren una reacción química", dice Schütt, resumiendo sus hallazgos.

Esto se debe a que, casi tan rápido como se calienta, el aerografeno se enfría nuevamente tan pronto como se apaga la fuente de alimentación. "Difícilmente puede almacenar calor debido a su capacidad calorífica extremadamente baja. A través de su estructura de red, lo libera muy rápidamente al aire que lo contiene", continúa Schütt. El rápido calentamiento y enfriamiento del material permite a los investigadores iniciar varias explosiones por segundo, una tras otra. "Esto nos brinda un aire comprimido extremadamente potente con solo presionar un botón, sin los compresores ni los suministros de gas que de otro modo se requieren", explica Adelung.

El material ya ha resistido más de 100 000 ciclos, pendiente de patente

Como ha descubierto un equipo de investigación dirigido por científicos de materiales de la CAU, unos pocos miligramos de aerografeno (en la parte inferior del cilindro de presión en la imagen), por ejemplo, son suficientes para levantar un peso de 2 kilogramos - por una ráfaga de aire generado cuando el material se calienta. Crédito:Florian Rasch

Los científicos utilizan este efecto para desarrollar nuevas bombas que se pueden ajustar específicamente, así como actuadores de alto rendimiento en formato miniatura. "Si coloca el aeromaterial en un cilindro a presión y lo calienta con electricidad, el chorro de aire generado puede usarse para mover objetos hacia arriba y hacia abajo de manera específica y varias veces por segundo", explica Rasch, quien recientemente completó su tesis doctoral sobre este tema. En sus experimentos, los dos primeros autores, Schütt y Rasch, pudieron demostrar que incluso una pequeña cantidad de objetos aerógrafos que son muchas veces más pesados se pueden mover. Por ejemplo, 10 miligramos de aerografeno fueron suficientes para levantar un peso de dos kilogramos en solo unos pocos milisegundos. Por lo tanto, los actuadores desarrollados con aerografeno tienen altas densidades de potencia mientras mantienen grandes cambios de volumen.

"A diferencia de las reacciones químicas, estas pequeñas explosiones eléctricas se pueden controlar de manera muy específica y también son muy limpias. Al cambiar la duración y la fuerza del suministro de corriente, podemos controlar con precisión la frecuencia y la fuerza de las ráfagas de aire", dice Rasch. Gracias a la extrema conductividad de los aeromateriales, solo necesitan una pequeña cantidad de electricidad para ello. En los experimentos realizados en Kiel, el material ha resistido hasta ahora 100.000 ciclos y ya se ha presentado una patente.

También se puede utilizar como filtro de aire autolimpiante contra bacterias

Como ejemplo de aplicaciones, el grupo de investigación de Adelung está desarrollando actualmente nuevos materiales y sistemas de filtro de aire basados en aerografeno en cooperación con el proveedor de aviación alemán Lufthansa Technik y financiado por Graphene Flagship. "Las corrientes de aire se pueden guiar muy bien a través de la estructura de red abierta del material y se pueden calentar fuertemente durante un corto tiempo. De esta manera, las bacterias y los virus, por ejemplo, se pueden filtrar del aire y matarlos", dijo Adelung. . "Esto podría permitir que estos sistemas de filtro funcionen con autolimpieza y funcionen sin un mantenimiento costoso en el futuro". + Explora más