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Nanotecnología

Electricidad al apretar

Investigadores desarrollan un material que genera energía eléctrica cuando se lo presiona

Polímeros luminescentes podrían reemplazar a las pantallas de LCDEn 1880, los hermanos Pierre y Jacques Currie, físicos franceses, descubrieron la propiedad de algunos materiales minerales de generar corriente eléctrica cuando son deformados por una presión mecánica, un fenómeno que al cual se denomina piezoelectricidad. Este descubrimiento originó varias aplicaciones comerciales, desde las suelas luminosas de tenis infantiles hasta aplicaciones en aparatos de ultrasonido y de litotripsia, un procedimiento médico empleado para romper piedras alojadas en los riñones y en la vesícula. Pero en tiempos de preocupaciones ambientales y energéticas, un uso basado en la piezoelectricidad toma cuerpo entre los investigadores: la producción de energía eléctrica por medio de una fuente inagotable, que no contamina. Es lo que vienen haciendo dos profesores de la Universidad Estadual Paulista (Unesp). El físico Walter Katsumi Sakamoto, del Departamento de Física y Química de la Facultad de Ingeniería de Ilha Solteira (Feis), y la química Maria Aparecida Zaghete Bertochi, del Departamento de Bioquímica y Tecnología Química del Instituto de Química (IQ) del campus de Araraquara, con apoyo económico de la FAPESP, están trabajando en la creación de un material capaz de aprovechar la fuerza mecánica generada por el tránsito de vehículos en una calle, por ejemplo, para obtener electricidad. Se trata de una película, denominada técnicamente compósito, elaborada con una mezcla de un polímero con partículas nanométricas medidas equivalentes a millonésimas partes de un milímetro de cerámica, que puede ponerse debajo del asfalto, y al sufrir una presión, se deforma y genera una corriente eléctrica.

El desarrollo de la cerámica nanométrica, que forma parte de la película está a cargo de Maria Aparecida. La investigadora echa mano de recursos nanotecnológicos en escala de átomos y moléculas para elaborar el polvo cerámico que compone el film, el óxido cerámico titanato zirconato de plomo, más conocido por la sigla PZT. Para desarrollar la nanocerámica, Maria Aparecida empleó un nuevo método de producción. La investigadora explica que la forma más común de obtener PZT era mediante el proceso Pechini. En ese caso, se utiliza la propiedad que los ácidos orgánicos como el ácido cítrico poseen de formar complejos del tipo metal-ácido orgánico, dice. Estos complejo, cuando se asocian a un alcohol, se polimerizan formando poliéster, un polímero con alta viscosidad, que se descompone en óxido por combustión, con temperaturas que van de los 500°C a los 800°C.  A esa temperatura obtenemos cerámica nanométrica. En este caso, del PZT, para la síntesis de la cerámica usamos citratos de circón, titanio y plomo.

Presión y volumen
Esta novedad utiliza la llamada síntesis hidrotérmica, cuyos parámetros fueron optimizados en el marco del estudio de Maria Aparecida, con sales u óxidos de circón, titanio y plomo que se mezclan en medio acuoso, al cual se le agrega una base mineralizadora (hidróxido de sodio o potasio). Luego se somete la mezcla al calentamiento por microondas en un recipiente de teflón cerrado durante 30 minutos a 180°C. La ventaja de este proceso es que al usar una temperatura baja y un tiempo corto, se obtienen partículas cerámicas con un excelente arreglo cristalino, cosa que es importante, pues la propiedad piezoeléctrica depende de eso, explica la investigadora. Además, no libera plomo por evaporación. Esta cerámica nanométrica produce energía porque presenta una asimetría en su centro de cargas, que genera una polaridad espontánea dentro de la estructura del material. Para ser piezoeléctrico, el material debe tener la estructura cristalina en forma de cubo un poco deformado. Cuando se aplica una presión sobre el material, como cuando un coche pasa por arriba o con la pisada de una persona, su volumen se reduce instantáneamente, dice. Esto aumenta la densidad de carga en su interior, provocando la salida de electrones por cables que son conectados a la cerámica. Estos electrones pueden usarse para encender una lámpara, por ejemplo.

La cerámica nanométrica aisladamente es capaz de generar energía, pero existen algunos inconvenientes. Es frágil, cara y tiene poca flexibilidad. Sortear estos obstáculos es precisamente el trabajo del profesor Sakamoto. Estamos buscando un material más flexible y más barato, dice. En este momento estamos desarrollando un compósito polímero-cerámica, que es un material compuesto de polímeros y PZT. A tal fin, Sakamoto mezcla el polvo cerámico con el polímero, también en forma de polvo. Esta mezcla es prensada a la temperatura de fusión del polímero utilizado para obtener la película. Ambos investigadores han probado compósitos con un 30%, un 40% y un 50% de cerámica y el resto de polímeros. Los más usados en las investigaciones son el polifluoruro de vinilideno (PVDF), que se funde a alrededor 180°C, y el poliéter-éter-cetona (PEEK), cuya temperatura de fusión es de alrededor de 360°C. Así, al utilizarse una matriz polimérica, con la cual se mezcla la cerámica, se gana en resistencia al choque mecánico, en flexibilidad y en formabilidad (puede dársele al compósito la forma que se desee), explica Sakamoto. También existe una ventaja económica. Al optarse por el compósito, se usa una menor cantidad de cerámica y se vuelve posible estudiar distintas matrices de manera tal de mejorar la actividad piezoeléctrica de la película.

Polímeros luminescentes podrían reemplazar a las pantallas de LCDLa primera película desarrollada por Sakamoto y Maria Aparecida era pequeña: medía 2 centímetros (cm) por 1 cm, y su capacidad de generar energía fue comprobada en laboratorio. Sakamoto dispuso el nuevo compósito conectado a un LED (diodo emisor de luz, sigla en inglés), entre dos placas de acrílico. Al presionarlas, el LED se encendía. Pero, dependiendo del tamaño de la película, la energía generada puede ser mucho mayor. Se sabe por la literatura científica que una persona de 60 kilos produce en promedio 0,1 vatio con cada paso, dice Sakamoto. Otros datos llegan desde Israel, país que ha invertido mucho en esa línea de investigación. Se hicieron experiencias que muestran que un kilómetro de autopista de movimiento intenso con material piezoeléctrico puede generar 200 kilovatios (kW), potencia suficiente como para abastecer a una casa durante un mes. Maria Aparecida y Sakamoto están ensayando ahora películas con dimensiones un poco mayores, de 7 por 7 cm, para saber cuál es la tensión eléctrica que se logra obtener. Queremos saber si es posible cargar con ese material una batería tipo AAA, las que se usan en dispositivos tales como controles remoto, y si es necesario poner algunas películas en serie o en paralelo para obtener más tensión o más corriente, revela Sakamoto. Dependiendo del resultado, la utilización comercial es una mera consecuencia.

En algunos países, el empleo de esa tecnología ya está más avanzado. En 2008, dos casas nocturnas, una en Londres, el Club Surya, y otra, el Club Watt, en Róterdam, Holanda, instalaron pisos piezoeléctricos en sus pistas de baile. Los clientes al bailar presionan sobre los pisos, que generan la energía destinada a iluminar las pistas. En Japón, la empresa Soundpower instaló sistemas piezoeléctricos en el piso de dos estaciones de tren en Tokio, por donde pasan alrededor de 2,4 millones de personas por semana.

En Israel se desarrolló entre 2008 y 2009 un proyecto piloto en autopistas y aeropuertos. En Brasil, Maria Aparecida y Sakamoto imaginan diversas aplicaciones para la película piezoeléctrica que están desarrollando.  Esta tecnología podrá generar energía en áreas de buen movimiento, y no solamente con el paso de los coches, sino también con el de personas a pie, dice Sakamoto. Shopping centers, por ejemplo, podrían utilizar pisos especiales que transforman los pasos de los frecuentadores en energía destinada a iluminar los pasillos. O las películas podrían también aplicarse en las suelas de los zapatos, lo que las volvería capaces de generar energía mientras que sus usuarios caminan, que se destinaría a alimentar pequeños artefactos electrónicos tales como celulares y aparatos de audio. El compósito serviría también para generar energía dentro de los automóviles. Podríamos instalar materiales piezoeléctricos en piezas móviles tales como amortiguadores y neumáticos, dice Sakamoto. Esa fuente alternativa reemplazaría al motor del coche en la alimentación de su sistema eléctrico.

La generación de energía es tan sólo una de las aplicaciones de estos materiales piezoeléctricos. En el área médica, podrían utilizarse por ejemplo como sensores para detectar pérdidas de rayos X en sanatorios y hospitales, o para la producción de implantes capaces de estimular el crecimiento óseo dirigido, lo que sería muy útil en tratamientos ortopédicos y en implantes dentales. La tecnología piezoeléctrica puede emplearse para la inspección estructural de materiales tales como los que se emplean en el fuselaje de aeronaves, añade Sakamoto. Constatamos en ensayos que el compósito es eficiente en la detección de microrajaduras de placas de fibra de carbono presentes en aviones.

El reto del almacenamiento
Pese al optimismo, los investigadores hacen la salvedad de que para usar esta tecnología en gran escala aún se hará necesario superar un obstáculo: el del almacenamiento de la energía. No existen misterios en cuanto a su uso a medida que es generada. Pero el problema es almacenarla para usos futuros. Actualmente, el almacenamiento solamente es posible mediante el empleo de grandes capacitores (piezas que almacenan energía), que son caros y ocupan mucho espacio. Para Sakamoto, la solución puede estar una vez más en la nanotecnología. Lo ideal sería desarrollar otro nanomaterial con la propiedad primordial de acumular una gran cantidad de energía en un tamaño pequeño, dice.

Sakamoto y Maria Aparecida, que forman parte del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Materiales en Nanotecnología (INCTMN), con sede en Araraquara,  financiado por la FAPESP y por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), están satisfechos con los resultados que han obtenido hasta ahora. Hemos enviado dos artículos a revistas científicas y un capítulo de libro que saldrá publicado en Estados Unidos el mes que viene por editorial Novapublishers, revela Sakamoto. Maria Aparecida subraya otro aspecto positivo del trabajo. Estamos usando material nacional, adaptando un sistema que aprovecha una energía que es totalmente desperdiciada, con un costo ambiental muy bajo, dice.

El proyecto
Sensores piezo y piroeléctricos inteligentes (nº 01/13187-4); Modalidad
Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Walter Katsumi Sakamoto – Unesp; Inversión R$ 52.862,13 (FAPESP)

Artículo científico
MALMONGE, J.A. et al. Piezo and dielectric properties of PHB-PZT composite. Polymer Composites. v. 30, n. 9, p. 1.333-37. 2008.

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