Prof. Técnico sede Oberá. NANOTECNOLOGÍA Prof. Ing. Joves Daniel NANOTECNOLOGÍA EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA INTOD!CCI"N# 1. Definición: La nanotecnología es el estudio, diseño,creación, síntesis, manipulación, y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propi materia a nano escala. Cuando se manipula la materia a escala tan minscul de los !tomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades nunca antes v eso lo utili#an los científicos para crear aparatos, sistemas y materiales con propiedades nicas. La nanotecnología promete soluciones m!s eficiente pro$lemas am$ientales, así como para la producción de energía. $. Aplicaciones: Actualmente se están utilizando las nanopartículas en un bu de industrias: para usos electrónicos, magnéticosy optoelectrónicos, biomédicos, farmacéuticos, cosméticos, energéticos, catalíticos, textil y en la cienci Los productos ue actualmente se encuentran disponibles son: nue!o aplicaciones en la medicina, en el control medioambiental y en la fabricac uímicos y farmacéuticos, me"ores técnicas foto!oltaicas para fuentes de e materiales más ligeros y más fuertes para la defensa, las industrias aeron y aplicaciones médicas, en!olturas #inteligentes# para el mercado de alime los productos una apariencia de alimento fresco y de calidad, tecnologías permiten pantallas me"ores, las llamadas técnicas de diagnóstica #Lab$on$a protección solar con nanopartículas ue absorben los rayos &', gaf resistentes e imposibles de rayar, y aparatos tan di!ersos y comunes como airbags, etc., cuyas !ersiones más modernas contienen componentes logrados nanotecnología. Las futuras aplicaciones en ue se están experimentando co son: energías alternati!as, energía del %idrógeno, pilas (células) de comb de a%orro energético, diagnóstico de enfermedades, y administración especialmente para combatir el cáncer, computación cuántica, semico c%ips, seguridad, microsensores de altas prestaciones, industria militar, aplicaciones industriales muy di!ersas (te"idos, deportes, materiales, automó!iles, cos construcción, en!asados alimentos, pantallas planas...), contaminació tratamiento de aguas, prestaciones aeroespaciales, fabricación molec producti!idad agrícola, monitorización y control de plagas. %. *n!ersión: La +anotecnología en los últimos a os se %a con!ertido en un estratégico con una espectacular fuente de riueza, traba"o y calidad de ! calculan ue la nanotecnología generará un negocio de entre - y billones diez a os. Aunue estamos en los inicios de este desarrollo, en la actualid los productos nanotecnológicos mue!en un mercado de unos /00.000 millones todo el mundo. Los expertos están totalmente con!encidos en in!ertir en in millonarias, como el 1incrotón Alba, ya ue necesitan de esto para el prog A ni!el internacional, %a %abido un rápido incremento de interés en la in! pública, principalmente en países como 22&&, 3apón, 4%ina y 5usia &nión 2uropea, las in!ersiones en los programas nacionales de los 2stados creciendo de forma rápida, este crecimiento se %a %ec%o %asta a%ora por se necesaria una política común. 2spa a, respecto a 2uropa, está mostrando un interés en la nanociencia y nanotecnología. 6e %ec%o, este campo constituy
NANOTECNOLOGÍA EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
INTOD!CCI"N#
1. Definición: La nanotecnología es el estudio, diseño,
creación, síntesis,
manipulación, y aplicación de materiales, aparatos y sistemas
funcionales a través del
control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos
y propiedades de la
materia a nano escala. Cuando se manipula la materia a escala tan
minscula como la
de los !tomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades nunca
antes vistas. "or
eso lo utili#an los científicos para crear aparatos, sistemas y
materiales de $a%o coste y
con propiedades nicas. La nanotecnología promete soluciones m!s
eficientes para los
pro$lemas am$ientales, así como para la producción de
energía.
$. Aplicaciones: Actualmente se están utilizando las
nanopartículas en un buen número
de industrias: para usos electrónicos, magnéticos y
optoelectrónicos, biomédicos,
farmacéuticos, cosméticos, energéticos, catalíticos, textil y en la
ciencia de los materiales.
Los productos ue actualmente se encuentran disponibles son: nue!os
sensores para
aplicaciones en la medicina, en el control medioambiental y en la
fabricación de productos
uímicos y farmacéuticos, me"ores técnicas foto!oltaicas para
fuentes de energía reno!able,
materiales más ligeros y más fuertes para la defensa, las
industrias aeronáutica y automó!il
y aplicaciones médicas, en!olturas #inteligentes# para el mercado
de alimentos, ue dan a
los productos una apariencia de alimento fresco y de calidad,
tecnologías !isuales ue
permiten pantallas me"ores, las llamadas técnicas de
diagnóstica #Lab$on$a$c%ip#, cremas de
protección solar con nanopartículas ue absorben los rayos
&', gafas y lentes con capas
resistentes e imposibles de rayar, y aparatos tan di!ersos y
comunes como impresoras,
airbags, etc., cuyas !ersiones más modernas contienen componentes
logrados a tra!és de la
nanotecnología. Las futuras aplicaciones en ue se están
experimentando continuos a!ances
son: energías alternati!as, energía del %idrógeno, pilas (células)
de combustible, dispositi!os
de a%orro energético, diagnóstico de enfermedades, y administración
de medicamentos,
especialmente para combatir el cáncer, computación cuántica,
semiconductores, nue!os
c%ips, seguridad, microsensores de altas prestaciones, industria
militar, aplicaciones
industriales muy di!ersas (te"idos, deportes, materiales,
automó!iles, cosméticos, pinturas,
construcción, en!asados alimentos, pantallas planas...),
contaminación medioambiental,
tratamiento de aguas, prestaciones aeroespaciales, fabricación
molecular, me"oras en la
producti!idad agrícola, monitorización y control de
plagas.
%. *n!ersión: La +anotecnología en los últimos aos se %a
con!ertido en un sector
estratégico con una espectacular fuente de riueza, traba"o y
calidad de !ida. Los expertos
calculan ue la nanotecnología generará un negocio de entre - y
billones de dólares en
diez aos. Aunue estamos en los inicios de este desarrollo, en la
actualidad se calcula ue
los productos nanotecnológicos mue!en un mercado de unos /00.000
millones de dólares en
todo el mundo. Los expertos están totalmente con!encidos en
in!ertir en infraestructuras
millonarias, como el 1incrotón Alba, ya ue necesitan de esto para
el progreso en el sector.
A ni!el internacional, %a %abido un rápido incremento de interés en
la in!ersión pri!ada y
pública, principalmente en países como 22&&, 3apón,
4%ina y 5usia, entre otros. 2n la
&nión 2uropea, las in!ersiones en los programas nacionales de
los 2stados miembros están
creciendo de forma rápida, este crecimiento se %a %ec%o %asta a%ora
por separado, siendo
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estratégica del 7lan +acional de *n!estigación, ue lle!a ya dos aos
funcionando en
nuestro país.
&. 2stado actual: Las expectati!as creadas sobre la
nanotecnología son enormes,
pudiendo ser fundamental en un futuro no muy le"ano, es más,
algunos científicos ya la
definen como 88La tercera re!olución industrial88. La realidad es
ue actualmente se
encuentra en una fase de in!estigación en donde los a!ances
científicos se empiezan a
plasmar en peueas aplicaciones, pero ue no tienen nada ue !er
con las infinitas
aplicaciones ue se esperan de esta no!edosa técnica. Además todo
esto en un muy corto
periodo de tiempo y es ue se espera ue en -0 aos ya se %aya
consolidado la industria de
la nanotecnología con multitud de productos en el mercado.
9. 7ros y contras: La !enta"a de utilizar la nanotecnología es
ue su técnica puede
ponerse al ser!icio prácticamente de casi cualuier ciencia o
industria , aparte de ue
promete ofrecer resultados prácticos para cualuier producto
de utilización masi!a. Además
el uso de la nanotecnología molecular en los proceso de producción
y fabricación podría
resol!er muc%os de los problemas existentes en la sociedad
actualmente. 7ero no todo son
!enta"as, el desarrollo de la nanotecnología podría ser causa de
nue!os armamentos de
mayor potencial mortal ue los actuales, siendo a su !ez también
menos costosos, por lo ue
podría causar una demanda para un mercado negro de artefactos
peueos muy peligrosos.
NANOTECNOLOGÍA ' ENEGÍA
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(Ca)bios adicales se darán en la *rod+cci,n de Energ-a (Las
Nano/ecnolog-as serán *ie0as clave *ara desarrolloos
revol+cionarios en el sec/or
energé/ico 1 el +so de energ-as renovables.
La energía solar podría suponer una factible alternati!a de energía
si es ue se
consigue compensar económicamente la relación entre el coste de
producción, los terrenos
necesarios, y además de los sistemas de almacenamiento. Ante esto,
los in!estigadores
sealan la nanotecnología como la me"or de las soluciones posibles.
2sta solución se daría
siempre ue la nanotecnología sea capaz de conseguir crear
nanomateriales capaces de
transportar, capturar y almacenar electrones libres.
ay ue comenzar explicando ué es una célula foto!oltaica. La
podríamos definir
como un sistema semiconductor ue absorbe la luz solar
con!irtiéndola en energía eléctrica
en sistemas foto!oltaicos, es decir, la célula solar con!ierte los
fotones del 1ol en una
corriente eléctrica ( efecto fotoeléctrico). Así, en este sistema
semiconductor en el ue
incide la luz se produce una diferencia de potencial entre las
capas del mismo capaz de
producir una corriente. 2l material más utilizado era el
silicio, óptimo pero a la !ez costoso,
así, con la idea de intentar me"orar la eficiencia de las células,
surgieron las células solares
de di!ersos materiales, ue se colocan superpuestos unos encima de
otros, consiguiendo así
ue el porcenta"e de energía solar transformada en eléctrica
aumentase considerablemente,
llamándose a esto %eterouniones .
Pero la verdadera revol+ci,n llega con la a*licaci,n de la
nano/ecnolog-a a es/os dis*osi/ivos )edian/e el +so de o/ros
nano)a/eriales 2+e i)*li2+en red+cir los cos/os de *rod+cci,n 1
a+)en/ar la eficiencia de las cél+las. Es/os dis*osi/ivos *resen/an
fren/e a las cél+las de silicio convencionales3 no/ables
ven/a4as:
-.$ La reducción total del coste de producción por deba"o de la
mitad, además de la
facilidad del proceso de fabricación.
/.$ 4ada célula solar nanoestructurada es impresa en un plástico
base de forma ue se
crean rollos de plástico con una alta eficiencia en la recolección
de luz, ya ue cada célula
actúa como un colector solar autónomo. Así se podría pasar del -9;
de las células de silicio
al /9; ue se pre!é llegar con estas nanoestructuras.
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.$ 2stas nue!as células pesan y son más flexibles, lo ue permitiría
su utilización en
di!ersos campos, como la telefonía mó!il y los portátiles. Además
de una mayor facilidad
de adaptación en las diferentes estructuras aruitectónicas.
Nano/ecnolog-a *+ede crear +na red de In/erne/ basada en energ-a
solar#
&nos in!estigadores de 4anadá %an demostrado ue se puede
utilizar la
nanotecnología para conseguir un *nternet de máxima potencia basado
en la potencia de la
luz. 2ste descubrimiento podría lle!ar a una red -00 !eces más
rápida ue la actual.
2n un estudio publicado este mes en Nano Le//er ,
el profesor <ed 1argent y sus
compaeros explican el uso de un rayo láser capaz de controlar y
dirigir a un
segundo rayo láser con una exactitud sin precedentes, condición
necesaria dentro de
redes futurísticas de la fibra óptica.= 2ste descubrimiento ensea
como la
nanotecnología es capaz de disear y crear materiales %ec%os a
medida a partir de
una molécula= según el 7rofesor 1argent.
asta a%ora, aunue la teoría permitía controlar una fuente de luz a
tra!és de una segunda
fuente luminosa, era imposible conseguirlo a falta de los
materiales adecuados. 1olo
la nanotecnología %a permitido !erificar esta %ipótesis científica
y %a con!ertido en
posible la realización práctica y la aplicación directa de
los cálculos de la física
fundamental al respecto.
Las in!estigaciones ue %an conducido a este %allazgo comenzaron con
el estudio de
las características ópticas de un material %íbrido ue %abía sido
obtenido por in!estigadores
de la !niversidad de Carle/on . 2l nue!o material está formado
por una combinación de
moléculas de átomos de carbono, de un nanómetro de diámetro,
conocidas como buc>yballs,
y de un *ol-)ero .
Luego 1argent y su compaero de la &ni!ersidad de <oronto,
?ying 4%en, estudiaron
las propiedades ópticas de esta nue!a sustancia %íbrida.
6escubrieron ue la sustancia era
capaz de procesar datos transportados en ondas de
telecomunicaciones $ los colores
infrarro"os de luz utilizados en cables de fibra óptica. 2n este
sentido, se acercaron más ue
nunca a lo ue según la física mecánica cuántica es posible. 1egún
1argent, un sistema
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futuro basado en la comunicacion !ía óptica podría en!iar seales
por la red global en un
picosegundo, y como %abíamos expuesto antes esto %aría ue
*nternet fuese -00 !eces más
rápido ue el actual.
Energ-a 5olar 1 Nanoes/r+c/+ras
Nano/ecnolog-a A*licada al Ag+a 1 a la Agric+l/+ra#
Las +aciones &nidas tienen como una de sus principales
preocupaciones el tema del
agua, debido a unos datos muy significati!os ya ue casi la mitad de
la población mundial
no dispone de un sistema básico de sanidad y alrededor de -.9
billones de personas en todo
el mundo no disponen de agua potable o limpia.
4ada día mueren en todo el mundo miles de nios por enfermedades
relacionadas con
el agua. <odo esto podría ser e!itado con un tipo de tecnología
muy económica y muy básica.
Ante este e!idente problema !arias empresas %an financiado la
construcción de ciertos
aparatos ue son capaces de detectar cuando el agua esta contaminada
y también ayudan a
abastecer a las zonas más afectadas por la falta de agua potable.
&n e"emplo de estas
empresas es +anotec%nology 'ictoria ue destinó el pasado ao /@9.000
dólares para este
fin.
1olo el ; de toda el agua consumida en el mundo se emplea en uso
doméstico, frente
al -; ue se utiliza en la industria y el BC; destinado a la
agricultura.
7ero pese a estos datos podríamos reducir el consumo de agua entre
un 90 y un 0;
con el simple %ec%o de tratar y reciclar el agua de uso doméstico,
o si trasladásemos gran
parte de la agricultura a in!ernaderos (ya ue la fabricación
molecular reemplazaría a gran
parte de la producción industrial). D si consiguiésemos
trasladar gran parte de la acti!idad
agrícola a in!ernaderos, podríamos recuperar muc%o del agua
utilizada a tra!és del
tratamiento y recicla"e de r+noff y la des%umificación
del aire residuo.
Etra !enta"a de la agricultura en in!ernaderos es ue se reuiere
menos mano de obra
y menos terreno ue en la agricultura tradicional ya ue esta última
se realiza en terrenos al
aire libre y está, en cierta medida, influenciada por las
condiciones meteorológicas como por
e"emplo las seuías o cambios estacionales (cosa ue no influye en la
agricultura en
in!ernaderos).
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ablamos de nanotecnología en la agricultura ya ue gracias a esta
última podríamos
construir in!ernaderos a un coste muy ba"o (con o sin aislamiento
termal).
1i cumpliésemos este ob"eti!o (trasladar a gran parte del sector de
la agricultura a los
in!ernaderos) conseguiríamos un gran descenso en el consumo de
agua, en la escasez de
alimentos causada por cambios estacionales y también reduciríamos
el uso de terrenos.
La nanotecnología molecular puede ofrecer similares oportunidades
en muc%os otros
ámbitos.
oy por %oy se desperdicia muc%a agua por no ser -00; pura.
Algunas
nanotecnologías ya desarrolladlas pueden potabilizar agua
contaminada para uso del sector
agrícola incluso para uso del sector doméstico. 2stas
nanotecnologías solo reuieren dos
cosas: una fuente modesta de energía y una fabricación
inicial.
7or e"emplo, podemos eliminar el -00; de bacterias, !irus y %asta
*rions mediante
unos filtros físicos con poros de una escala nanométrica.
<ambién podemos eliminar sales y
metales pesados mediante una nanotecnología de separación eléctrica
ue atrae a los iones
a lá)inas s+*erca*aci/or.
Prions lá)inas s+*erca*aci/or 1upercapacitores
+anotubo
7or otro lado, la nanotecnología puede con!ertir agua salada en
agua potable. Da ue
el instituto tecnológico de +ue!a 3ersey está perfeccionando una
técnica de desalinización
llamada separación por membrana, la cual se lle!a utilizando
durante /0 aos. 2sta técnica
de desalinización funciona de la siguiente manera: 7rimero se %ace
pasar agua salada
caliente a tra!és de una delgada lámina de material, esta delgada
lámina de material recibe
el nombre de membrana.
2n esta membrana %ay agu"eros muy peueos ue reciben el nombre de
nano*oros . 2stos nanoporos son tan diminutos ue solo permiten
el paso del !apor de agua a tra!és de
ellos, uedando atrás el agua líuida, las sales y los minerales. 2n
el otro lado %ay un
depósito de agua fría, permitiendo así ue cuando el !apor de agua
atra!iesa la membrana, este !apor se condensa (!ol!iéndose a
con!ertir en líuido), por lo ue el producto final
obtenido es agua depurada y potable.
Nano*oros
Al)acena)ien/o
6a/er-as ecargables
6entro de las baterías se %an producido grandes a!ances en la
actualidad. Las baterías
de ion$litio con ánodo nanoestructurado y basado en nanopartículas
de titanato de litio
(Li@<i9E-/) presentan me"ores prestaciones y características en
su funcionamiento ue las
baterías de ion$litio con ánodo de grafito ue comenzaron a
distribuirse comercialmente %ace una década. Las primeras, permiten
traba"ar en condiciones de alta potencia, su larga
duración es muc%o mayor, los tiempos de recarga son notablemente
más cortos y al contar
con una gran estabilidad térmica, son más seguras.
2n cuanto a las baterías recargables de ion$litio con ánodo de
grafito cabe destacar ue
fueron un importante a!ance respecto a las de níuel$cadmio ue se
usaban anteriormente
por ser más ligeras, menos contaminantes, tener una mayor
densidad de energía y no
presentar efectos de memoria en los procesos de
carga$descargaF estos factores %icieron ue
fuese una importante me"ora de prestaciones de cara a su aplicación
en teléfonos mó!iles y
ordenadores portátiles, sin embargo a la %ora de su uso en otros
sectores o la me"ora en los
ue ya se !enían aplicando, aún siguen presentando algunos
incon!enientes como son
problemas de seguridad cuando la temperatura alcanza mas de
-00G4, la limitación en la
!ida de la batería, el ba"o ritmo de la carga y la limitación en la
potencia.
Las baterías de ion$litio con ánodo nanoestructurado basado en
nanopartículas de
titanato de litio presentan !enta"as muy importantes pues algunas
de sus características son:
• 2l tamao de estas nanopartículas es del orden de -00 !eces menor
ue las de grafito,
por lo ue la distancia ue los iones de litio tienen ue
recorrer para ser extraídas en el
proceso de descarga son muc%os menores y, por tanto,
proporcionan una mayor potencia.
• Las propiedades electrouímicas de las nanopartículas de titanato
de litio permiten la
introducción a altos ritmos de iones litio en su interior, %aciendo
ue disminuya
considerablemente el tiempo de recarga de la batería.
• Los ánodos basados en estas nanopartículas no presentan efectos
de tensiones ante la
extracción$inducción de los iones litio en ellas, pues los iones
tienen el mismo tamao ue
los %uecos ue ocupan en las nanopartículas, por los ue los efectos
de fatiga del material se
reducen drásticamente alargando la !ida de la batería.
• 2l titanato de litio no reacciona uímicamente con el electrolito
de la batería cuando la
temperatura se ele!a, por lo ue a la %ora de ser aplicadas la
seguridad es me"orada.
2ste tipo de batería aparte de su aplicación actual en los sectores
de la telefonía mó!il
y los ordenadores portátiles, también es importante en la
utilización de la industria del
automó!il (como la posibilidad de su uso en !e%ículos eléctricos) o
el mercado de la
industria de la alimentación ininterrumpida (1A*).
Hatería de litio
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2suema de funcionamiento de la pila de litio
6entro de la industria, un e"emplo es el de la empresa Altair
+anotec%nologies ue %a
anunciado ue sus euipos de científicos %an logrado un a!ance
importante en la fabricación de materiales para electrodos de
baterías litio$ion. Los nue!os materiales permiten la
fabricación de baterías recargables tres !eces más potentes ue las
baterías de litio$ion
actuales al mismo precio y un tiempo de recarga ue se reduce de las
%oras ue tardan las
pilas tradicionales a tan solo unos minutos, con la !enta"a
ue esto supone.
1egún un artículo de 1malltimes.com, Altair %a firmado contratos
con algunos de los
fabricantes de pilas más importantes del mundo, para e!aluar y
comercializar los nue!os
materiales empleados en los electrodos de baterías. Algunos
mercados para baterías
realizadas con nanotecnología incluyen %erramientas para la
construcción, aparatos
electrónicos, %erramientas para la medicina, !e%ículos %íbridos,
etc. 7ara ello Altair %a
desarrollado un óxido de litio$titanio a nano escala.
2l desarrollo de baterías con nue!as prestaciones se encuentra en
fuerte desarrollo.
Etro e"emplo es 4ymbetI 4orporation ue %a desarrollado el sistema
7EJ25 KAH , ue
se trata de una batería recargable de ion litio flexible ue es
capaz de adoptar casi cualuier
forma y adaptarse a cualuier superficie para actuar como fuente de
potencia, eliminando la
necesidad de compartimentos para baterías con!encionales 7EJ25
KAH.
7EJ25 KAH
5+*erca*aci/ores
ultracondensadores, son como los capacitores normales pero
almacenan %asta unas -0.000
!eces más energía, ocupando el mismo tamao. Algunos pueden llegar
%asta .000 faradios
(los normales suelen almacenar del orden de microfaradios).
<ienen un gran rendimiento (el
; de la carga se de!uel!e)F almacenan muc%a energía en relación a
su peso (@J%M>g),
aunue no tanto como un bateríaF no presentan efecto memoria y
tienen una gran capacidad
de carga y descarga rápida (9>JM>g).
Cien/-ficos an+ncian revol+ci,n en al)acena)ien/o de energ-a
4asi todo lo ue funciona con baterías N los flas%es de las cámaras,
los teléfonos
mó!iles, los coc%es eléctricos, los sistemas de guía de los misiles
N podrían perfeccionarse
con un me"or suministro de energía. 7ero las baterías tradicionales
no %an progresado
demasiado desde el diseo básico desarrollado por Alessandro 'olta
en el siglo O*O.
&n traba"o efectuado en el Laboratorio para 1istemas
2lectromagnéticos y 2léctricos
(L221) del *nstituto <ecnológico de Passac%ussets (P*<)
promete con!ertirse en la
primera alternati!a (económicamente !iable y significati!a en
lo tecnológico) a las baterías
con!encionales.
3oel 2. 1c%indall, profesor de *ngeniería 2léctrica e *nformática
(*.2.*.) poseedor de la
cátedra Hernard Qordon y director asociado en el L221F 3o%n Q.
Rassa>ian, profesor de
estructuras de nanotubos para potenciar un dispositi!o de
almacenamiento de energía
llamado supercapacitor. Los capacitores almacenan energía como
campo eléctrico, lo cual
los %ace más eficientes ue las baterías estándares, ue obtienen su
energía a partir de
reacciones uímicas. Los supercapacitores son pilas de
almacenamiento basadas en
capacitores ue suministran estallidos rápidos y masi!os de energía
instantánea. A !eces se
les emplea en los !e%ículos acti!ados por pila de combustible para
aportar un empu"e extra
en la aceleración cuando circulan y cuando suben cuestas. 1in
embargo, los
supercapacitores necesitan muc%o más espacio ue las baterías para
almacenar la misma
carga. 2l in!ento del L221 incrementaría la capacidad de
almacenamiento de los
supercapacitores ya existentes en el mercado, almacenando el campo
eléctrico a ni!el
atómico. Aunue los supercapacitores lle!an en circulación desde la
década de -B0, son
relati!amente caros y solo %ace poco ue %an empezado a ser
fabricados en cantidades lo
suficientemente apreciables como para ue se %agan competiti!os. oy
en día se pueden
encontrar supercapacitores en todo un abanico de dispositi!os
electrónicos, desde las
computadoras %asta los coc%es. 1in embargo, a pesar de sus !enta"as
in%erentes N una !ida
media superior a -0 aos, la capacidad de funcionar con indiferencia
de los cambios de
temperatura, su alta inmunidad a las sacudidas y a la !ibración y
su alta eficiencia en cargas
y descargas N las restricciones físicas en las superficies de los
electrodos y el problema del
espacio %an limitado la capacidad de almacenamiento energético de
los supercapacitores
%aciéndola /9 !eces menor ue la ue se obtiene con una pila de iones
de litio de un tamao similar. 2l supercapacitor del L221 posee la
capacidad de superar esta limitación energética
gracias al empleo de paredes sencillas de nanotubos de carbono
alineadas !erticalmenteF el
diámetro de los nanotubos es una treinta!a de milésima menor ue el
de un cabello %umano
y su longitud es -00 000 !eces mayor ue su espesor. S4ómo funcionaT
La capacidad de
almacenamiento de un supercapacitor es proporcional al área de la
superficie de los
electrodos. Los supercapacitores actuales usan electrodos %ec%os a
base de carbón acti!ado,
ue es extremadamente poroso y por ello posee una gran área de
superficie. 1in embargo,
los poros en el carbón son irregulares en tamao y forma, lo cual
reduce su eficiencia. Los
nanotubos alineados !erticalmente del supercapacitor del L221
poseen una forma regular y
una anc%ura de solo !arios diámetros de átomo. 2l resultado es un
área de superficie
significati!amente más efecti!a, lo cual eui!ale a un incremento en
la capacidad de
almacenamiento igualmente significati!o. Los nue!os
supercapacitores me"orados con
nanotubos pueden fabricarse en cualuiera de los tamaos disponibles
%oy en día y se
pueden producir empleando tecnología con!encional. U2sta
configuración posee el potencial
de mantener, e incluso me"orar, las características de alta
funcionalidad de los
supercapacitores mientras ue suministra densidades de
almacenamiento energético
comparables a las de las bateríasV, comentó 1c%indall. ULos
supercapacitores me"orados con
nanotubos combinarían la larga durabilidad y las características de
alta potencia de los
supercapacitores comerciales, con la más alta densidad de
almacenamiento energético ue
normalmente solo se puede conseguir con las baterías
uímicasV.
S&n competidor contra las bateríasT
1erá esta la !enganza de los capacitores contra las bateríasT
2stamos rodeados de
baterías, o pilas si se prefiere, por todas partes. 7eueas
como lente"as o gigantescas como
armarios, ca"as pesadas en nuestros automó!iles o estilizadas
láminas en los modernos
teléfonos. 7odría decirse ue !i!imos en la edad de oro de las
baterías peroW Salgo puede
amenazar su reinadoT Pe atre!ería a decir ue, a corto y medio plazo
no, pero algunas
no!edosas propuestas intentan romper el reino de las pilas para dar
paso a otra cosa, no sé
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muc%o, puede ue tenga algo ue !er en la guerra por competir contra
las baterías. 1e trata
de una especie de UsupercapacitorV ue, a decir de sus defensores $
y con esto siempre %ay
ue tener cuidado $ promete tener !enta"as muy interesantes sobre
las baterías
con!encionales: 1e trata de un capacitor ue utiliza titanato de
bario como medio
dieléctrico. Afirman ue su coste es cercano a la mitad del de las
baterías de ácido por cada
>ilo!atioM%ora y además muc%o más ligero. Káciles de fabricar,
son capaces de cargarse por
completo en apenas unos minutos, ofreciendo capacidades superiores
a las baterías
con!encionales. 7ueden cargarse más de un millón de !eces sin
apenas degradación de los
materiales, al contrario ue una batería con!encional de plomo y
ácido ue no suele llegar
en óptimas condiciones al millar de ciclos de recarga. 6ados los
materiales de los ue se
compone, es prácticamente inerte para el medio ambiente, siendo en
este campo muc%o más
!enta"oso ue las contaminantes baterías con!encionales.
A%orro y <ransporte
Nano/+bos de Carbono
As*ec/os innovadores:
-. abilidad para traba"ar a escala molecular, átomo a átomo. 2sto
permite crear
grandes estructuras con, fundamentalmente, nue!a organización
molecular.
/. 1on materiales de base, utilizados para la síntesis de
nanoestructuras !ía
autoensamblado.
. 7ropiedades y símetría únicas ue determinan sus potenciales
aplicaciones en
campos ue !an desde la electrónica, formación de composites,
almacenamiento de energía,
sensores o biomedicina.
Carac/er-s/icas# Los nanotubos presentan diferentes
estructuras en función de la
orientación de los %exágonos del grafeno respecto del e"e.
7resentan una %ibridación
intermedia entre la sp/ y la sp. 2ste tipo de %ibridación %ace
posible ue los átomos de
carbono puedan combinarse formando %exágonos y pentágonos en
estructuras
tridimensionales pueden considerarse como láminas de grafito
enrolladas en forma de tubos.
Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la
estructura ue cierra el
nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos
también pueden ser de
monocapa (de una sola capa) o multicapa (!arias capas
concéntricas).
&n nanotubo es un fullerreno muy grande en forma lineal.
<ambién poseen una
composición uímica y configuración atómica sencilla, sin embargo,
dentro de los
nanomateriales conocidos %asta %oy día éstos ex%iben, posiblemente,
la más !asta
di!ersidad y riueza en relación a sus estructuras y propiedades
intrínsecas. 2s decir, existe
un gran número de posibilidades en los tipos de moléculas de
nanotubos ue pueden ser
obtenidos, ya ue cada nanotubo puede presentar propiedades físicas
distintas a otros nanotubos preparados en condiciones diferentes.
2n este sentido, la síntesis controlada de
nanotubos de carbono abre interesantes oportunidades en el campo de
la nanotecnología,
dado ue es una forma de controlar también sus propiedades
eléctricas y mecánicas.
Pro*iedades# 2n general las propiedades de los nanotubos
dependen principalmente de los siguientes factores: el número de
capas concéntricas ue posee, la manera en ue es
enrollado y del diámetro del nanotubo.
• Pro*iedades elec/r,nicas# <ransportan bien la corriente
eléctrica, pueden actuar con
característica metálica, semiconductora o también
superconductora.
• Pro*iedades )ecánicas# &no de los materiales más duros
conocidos (similar a los
diamantes), presenta una altísima resistencia mecánica y una
altísima flexibilidad.
Prof. Técnico sede Oberá. NANOTECNOLOGÍA Prof. Ing. Joves
Daniel
• Pro*iedades elás/icas# 7or su geometría, podría esperarse ue
los nanotubos sean
extremadamente duros en la dirección del e"e, pero por el contrario
son flexibles a
deformaciones perpendiculares al e"e. La cur!atura causa un aumento
de energía: los
nanotubos son menos estables ue el grafito, y cuanto menor es el
diámetro menor es la
estabilidad. 7ara grandes deformaciones radiales, los nanotubos
pueden ser inestables
(colapso), esto ocurre principalmente para nanotubos de gran
diámetro. Las características
mecánicas de los nanotubos son superiores a las fibras de carbonoF
resistencia a deformaciones parciales, flexibilidad, etc. las
cuales las %acen idóneas para muc%as
aplicaciones posibles.
• Pro*iedades /ér)icas# 7resenta altísima conductibilidad
térmica en la dirección del
e"e del nanotubo.
7é/odos de *re*araci,n de nano/+bos de carbono# 2xisten
!arios métodos de
producción: arco de descarga eléctrica (grafito a 000G 4),
ablación o erosión laser (-/00G
4), pirolisis de %idrocarburos (--00G 4) y la deposición uímica en
fase !apor (4'6 por sus
siglas en inglés) (B00$00G 4) utilizando metano e / como reacti!os.
2ste último tiene la
!enta"a de ue las estructuras de los catalizadores ue inician el
crecimiento ueden ser definidos litográficamente, así los
métodos catalíticos parecen ser de los más prometedores
para su producción a gran escala, si bien no existe, %asta el
momento, ningún método ue
produzca nanotubos de carbono a granel, de número de paredes
controlado, con diámetros
uniformes. Además, las propiedades de estos materiales están
fuertemente ligados a su
morfología y estructura, por lo ue la síntesis de grandes
cantidades de nanotubos yMo
nanofibras de morfología y estructuras específicas, pueden ser
esenciales en !ista de sus
aplicaciones.
8+en/es de L+0 9LED:#
• Led de Pr,;i)a Generaci,n con Nano/ecnolog-a#
La nano/ecnolog-a *+ede a1+dar a crear sis/e)as de il+)inaci,n LED
de <l/i)a generaci,n )ás eficien/es 1 e;*lorar s+
*o/encial.
oy en día, los diodos emisores de luz están por todas partes, desde
seales de tráfico
%asta las luces traseras de los automó!iles, las pantallas de
teléfonos mó!iles o las pantallas
gigantes de los estadios. La tecnología L26 más desarrollada está
basada en cristales,
%ec%os %abitualmente de nitruro de galio e indio. Aunue
in!estigadores del 4enter for
+anop%ase Paterials 1ciences del E5+L y de la &ni!ersidad
<ennessee están traba"ando en
el desarrollo de la tecnología ue me"orará la nue!a generación de
dispositi!os L26
compuestos de finas láminas de polímeros o moléculas
orgánicas.
2stos L26 orgánicos están diseados para ser incorporados en el
interior de láminas
flexibles y delgadas formando parte así de una nue!a generación de
artefactos luminosos y
pantallas electrónicas flexibles. Las aplicaciones actuales
de los L26 o EL26 orgánicos se limitan a dispositi!os con pantallas
peueas, como los teléfonos mó!iles, los 76A y las
cámaras digitales. 7ero aun así se espera ue algún día se puedan
producir grandes pantallas