JOSÉ MAURÍCIO ROSOLEN/USPLa nanotecnología se ha convertido en un vasto campo de estudios en todo el mundo, y los nanotubos de carbono son los grandes exponentes de dicha área. Los sectores de la ingeniería electrónica y de la química industrial son los que más prometen en lo que hace al uso de estos dispositivos, tal como lo demuestra el trabajo de un grupo de investigadores del Departamento de Química de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (USP). Los científicos desarrollaron nanomateriales destinados a componer baterías de iones de litio más eficientes, utilizadas en coches eléctricos, y sofisticados filtros con capacidad para retener gases tóxicos y compuestos volátiles nocivos para la salud, además de sensores para la detección de glucosa en la sangre. El material creado por los investigadores en escala nanométrica –un nanómetro equivale a una millonésima parte de un milímetro– es un compósito formado por nanotubos de carbono, una especie de hoja de átomos de carbono enrollada como un tubo, dispuestos sobre fieltro también de carbono, un sustrato mayor, en escala de micrones, disponible comercialmente y fabricado a base de polímeros comerciales tales como la poliacrilonitrila y la poliamida.
El nanomaterial será fabricado este mismo año en escala pos laboratorio en una planta piloto que se encuentra en construcción en la universidad. Además de abrir la posibilidad de nuevas aplicaciones tecnológicas, el trabajo llevado adelante por el físico y profesor de la USP José Maurício Rosolen, en colaboración con la química Elaine Yoshiko Matsubara, dio origen a dos pedidos de patentes en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) y a una decena de artículos científicos publicados en revistas científicas internacionales. El desarrollo de compósitos –un producto que se caracteriza por estar formado por dos o más tipos de materiales– en el ámbito de la nanotecnología, normalmente se basa en los nanotubos como uno de sus componentes. Los investigadores de Ribeirão Preto emplearon estos dispositivos dispuestos sobre un fieltro especial, un sustrato conductor electrónico similar a los fieltros tradicionales, pero elaborado a base de carbono y no de algodón o de fibras sintéticas. Fue la salida que hallaron los investigadores para sortear las limitaciones y las dificultades existentes cuando se piensa en emplear nanotubos de carbono en gran escala industrial.
El problema con el uso de los nanotubos, según Rosolen, es la dificultad de su manipuleo, normalmente en forma de polvo, junto a otros materiales, y controlar la compactación o aglomeración, que se produce de manera aleatoria. “Los nanotubos de carbono interactúan entre sí, formando haces y aglomerados dotados de propiedades distintas que las originales. Esa situación puede ocasionar problemas a la hora de reproducir dispositivos y materiales en el ámbito industrial cuyas propiedades dependen de la aglomeración o de la dispersión de los nanotubos, como ocurre con capacitores, sensores, filtros, electrodos y baterías”, dice Rosolen.
Al incorporar nanotubos a un substrato como los fieltros de carbono, los investigadores lograron hacer un montaje en geometrías preestablecidas, y evitaron así los problemas hallados en el material en partículas. Asimismo, los dispositivos micrométricos son más fácilmente manipulables, y es más sencilla su mezcla con otros materiales. “Creamos un nuevo material, pero mantuvimos todo el potencial de los nanotubos de carbono”, dice el físico de la USP. El compósito tiene la forma de una manta o tela, con dichos dispositivos impregnados en su superficie. Esta característica reduce el riesgo de inhalación de los nanotubos por parte de los investigadores y trabajadores que los manipulan en forma de polvo.
Una de las aplicaciones más avanzadas para el nuevo material apunta a la fabricación de filtros y máscaras de interés industrial. En el primer caso, el compósito puede utilizarse en la fabricación de filtros para aire acondicionado de vehículos automotores, y en la retención de gases tóxicos arrojados al aire por el escape de los coches. “Los filtros actualmente existentes en el mercado impiden que los conductores aspiren el material en partículas que exhalan los automóviles, pero no retienen una serie de gases tóxicos de dimensiones moleculares”, dice Rosolen. Filtro de cigarrillo – El nanomaterial también podría usarse en la fabricación de máscaras de protección individual capaces de impedir el paso de solventes orgánicos tóxicos liberados en ciertos procesos industriales. En la misma línea, puede ser útil como filtro de nicotina en cigarrillos. La primera patente que obtuvo el investigador se relaciona con el desarrollo de filtros para compuestos orgánicos volátiles y para nicotina, mientras que la segunda se refiere a la producción de compósitos y nanotubos de carbono con superficie hidrofílica (que interactúa con el agua), que se dispersan bien en medio acuoso. Estos podrían destinarse entre otras cosas a la fabricación de pigmentos para pinturas al agua.
El nanomaterial creado en los laboratorios de la USP también abre posibilidades para la fabricación de grandes baterías de iones de litio, más livianas que las actuales, para vehículos eléctricos. “Como nuestro compósito es un buen conductor electrónico, los fabricantes de baterías no necesitarían utilizar grandes cantidades de hojas y mallas de aluminio, que la vuelven pesada”, explica. Al reducirse su peso, sería posible también fabricar coches eléctricos con baterías más durables para lograr una autonomía mayor. “Algunas grandes empresas han mostrado interés tanto en la tecnología de producción de baterías como en producir filtros con nuestro material. Estamos conversando”, comenta Rosolen.
Otra aplicación prometedora del compósito de nanotubos de carbono sería la fabricación de sensores amperométricos. Estudios realizados junto con la profesora Susana Inês Cordoba Torresi, del Instituto de Química de la USP de São Paulo, demostraron que el compósito permite la producción de biosensores muy sensibles, capaces de detectar glucosa en un medio que contenga sodio y potasio, como lo es la sangre humana. “El dispositivo exhibió una gran sensibilidad, con gran rapidez de respuesta, dentro de una franja de concentración más amplia que los sensores convencionales”, dice Rosolen.
Los proyectos
1. Nanotecnología de carbono aplicada al desarrollo de sensores, células fotovoltaicas, seudocapacitores y compósitos poliméricos (nº 04/07085-2); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador José Maurício Rosolen – USP; Inversiones R$ 174.124,21 y US$ 18.558,95 (FAPESP)
2. Compósito de nanotubos de carbono y fieltro de carbono (nº 06/06129-1); Modalidad Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual; Coordinador José Maurício Rosolen – USP; Inversión R$ 6.000,00 (FAPESP)
Artículos científicos
ROSOLEN, J.M. et al. Electron field emission of carbon nanotubes on carbon felt. Chemical Physics Letters. v. 424, p.151-55. 2006.
ROSOLEN, J.M. et al. Carbon nanotube/felt composite electrodes without polymer binders. Journal of Power Sources. v. 162, p. 620-28. 2006.
