Los investigadores desarrollaron un método, llamado degradación térmica inversa (ITD), para controlar cómo interactúan las llamas con los materiales utilizando una capa protectora a nanoescala. Esto permite afinar las propiedades de los materiales procesados, como lo demuestra la creación de microtubos de carbono a partir de fibras de celulosa.
Las llamas de alta temperatura son esenciales para la producción de muchos materiales. Sin embargo, controlar el fuego y su interacción con los materiales previstos puede ser un desafío. Los científicos ahora han desarrollado un método que utiliza una capa protectora de molécula delgada para controlar cómo el calor de la llama interactúa con el material, controlando el fuego y permitiendo a los usuarios ajustar las propiedades del material procesado.
«El fuego es una valiosa herramienta de ingeniería: un alto horno no es más que un fuego intenso», dice Martin Thaw, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Sin embargo, una vez que inicia un incendio, a menudo tiene poco control sobre su comportamiento.
Nuestra tecnología, que llamamos degradación térmica inversa (ITD), utiliza un nanoescala Una película delgada sobre un material objetivo. La película delgada cambia en respuesta al calor del fuego y regula la cantidad de oxígeno que puede llegar al material. Esto significa que podemos controlar la velocidad a la que se calienta un material, lo que a su vez afecta las reacciones químicas que tienen lugar dentro del material. Básicamente, podemos ajustar cómo y dónde el fuego cambia los materiales”.
Así es como funciona ITD. Comience con los materiales de destino, como las fibras de celulosa. Luego, estas fibras se recubren con una capa de partículas de un nanómetro de espesor. A continuación, las fibras recubiertas se someten a una llama intensa. La superficie exterior de las partículas se quema fácilmente, elevando la temperatura en las inmediaciones. Pero la superficie interna del revestimiento molecular cambia químicamente, creando una capa de vidrio más delgada alrededor de las fibras de celulosa. Este vidrio limita la cantidad de oxígeno que puede llegar a las fibras, evitando que la celulosa explote en llamas. En cambio, las fibras se queman lentamente, de adentro hacia afuera.
«Sin la capa protectora de ITD, aplicar llamas a las fibras de celulosa generaría cenizas», dice Thue. Con el revestimiento protector ITD, terminas con tubos de carbono.
Podemos diseñar la capa protectora para ajustar la cantidad de oxígeno que llega al material objetivo. Y podemos diseñar el material objetivo para producir las propiedades deseadas».
Los investigadores realizaron demostraciones de prueba de concepto utilizando fibras de celulosa para producir nanotubos de carbono.
Los investigadores pueden controlar el grosor de las paredes de los tubos de carbono controlando el tamaño de las fibras de celulosa con las que comienzan; introduciendo varias sales en las fibras (que controlan aún más la velocidad de combustión); Y cambiando la cantidad de oxígeno que pasa a través de la capa protectora.
«Ya tenemos muchas aplicaciones en mente, que abordaremos en futuros estudios», dice Tho. “También estamos abiertos a trabajar con el sector privado para explorar varios usos prácticos, como el desarrollo de nanotubos de carbono diseñados para la separación de agua y aceite, que serían útiles tanto para aplicaciones industriales como para la remediación ambiental”.
Referencia: «Pirólisis dirigida espacialmente por transferencia térmica de superficies» por Chuanshen Du, Paul Gregory, Dhanush U. Jamadjni, Alana M. Pauls, Julia J. Chang, Rick W. Dorn, Andrew Martin, E. Johan Foster, Aaron J . Rossini y Martin Thaw, 19 de julio de 2023, disponible aquí. Angwandt Kimi.
DOI: 10.1002/anie.202308822
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