Los ingenieros del MIT han descubierto una forma completamente nueva de generar electricidad

Pequeñas moléculas actúan sobre reacciones químicas.

Un nuevo material hecho de nanotubos de carbono puede generar electricidad saqueando energía de su entorno.

Con Los ingenieros han descubierto una nueva forma de generar electricidad utilizando pequeñas partículas de carbono que pueden generar una corriente simplemente interactuando con el líquido que las rodea.

Los investigadores dicen que el líquido, un solvente orgánico, extrae electrones de las partículas, generando una corriente que puede usarse para impulsar reacciones químicas o para impulsar micro o nanorobots.

«Este mecanismo es nuevo y este método de generar energía es completamente nuevo», dice el profesor de Ingeniería Química del MIT Michael Strano. «Esta tecnología es interesante porque todo lo que tienes que hacer es hacer pasar un disolvente a través de una capa de estas partículas. Esto te permite hacer electroquímica, pero sin cables».

En un nuevo estudio que describe este fenómeno, los investigadores muestran que pueden usar esta corriente eléctrica para desencadenar una reacción conocida como oxidación del alcohol, una importante reacción química orgánica en la industria química.

Strano es el autor principal del artículo, que aparece hoy (7 de junio de 2021) en Conexiones con la naturaleza. Los autores principales del estudio son Albert Tianxiang Liu, estudiante de posgrado del MIT y ex investigador del MIT, Yuichiro Kunai. Otros autores incluyen al ex estudiante de posgrado Anton Cottrell, los posdoctorados Amir Kaplan y Hyuna Kim, el estudiante de posgrado Ji Zhang y los recién graduados del MIT Ravid Malla y Yannick Etmon.

Propiedades únicas

El nuevo descubrimiento proviene de la investigación de Strano sobre nanotubos de carbono, tubos huecos hechos de una red de átomos de carbono, que tienen propiedades eléctricas únicas. En 2010, Strano demostró, por primera vez, que los nanotubos de carbono pueden generar «olas de calor». Cuando un nanotubo de carbono se recubre con una capa de combustible, los pulsos de calor se mueven o Olas de calor, viajando a lo largo del tubo, creando una corriente eléctrica.

Este trabajo llevó a Strano y sus estudiantes a revelar una característica relevante de los nanotubos de carbono. Descubrieron que cuando una parte de un nanotubo se recubre con un polímero similar al teflón, se crea una asimetría que hace posible que los electrones fluyan desde la parte recubierta a la parte no recubierta del tubo, generando una corriente eléctrica. Estos electrones se pueden extraer sumergiendo las partículas en un solvente hambriento de electrones.

Para aprovechar esta habilidad especial, los investigadores crearon moléculas generadoras de electricidad triturando y moldeando nanotubos de carbono en una hoja de material similar al papel. Un lado de cada papel se cubrió con un polímero similar al teflón, luego los investigadores cortaron las partículas diminutas, que pueden tener cualquier forma o tamaño. En este estudio, hicieron partículas de 250 micrones por 250 micrones de tamaño.

Cuando estas partículas se sumergen en un disolvente orgánico como el acetonitrilo, el disolvente se adhiere a la superficie no recubierta de las partículas y comienza a extraer electrones de ellas.

«El solvente aleja los electrones y el sistema intenta equilibrarse moviendo los electrones», dice Strano. «No hay una batería química sofisticada en el interior. Es solo una partícula, la pones en un solvente y comienza a generar un campo eléctrico».

«Esta investigación muestra inteligentemente cómo extraer la energía eléctrica ubicua (y a menudo inadvertida) almacenada en un material electrónico para la síntesis electroquímica en el sitio», dice Jun Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Massachusetts en Amherst, quien no participó en el estudio. «Lo bueno es que indica una metodología general que se puede expandir fácilmente para usar diferentes materiales y aplicaciones en diferentes sistemas modulares».

Fuerza de partícula

La versión actual de la partícula puede generar alrededor de 0,7 voltios de electricidad por partícula. En este estudio, los investigadores también demostraron que podían formar matrices de cientos de partículas en un pequeño tubo de ensayo. El reactor de «lecho compacto» genera suficiente energía para ejecutar una reacción química llamada oxidación del alcohol, en la que el alcohol se convierte en un aldehído o cetona. Por lo general, esta reacción no se realiza mediante electroquímica porque requiere mucha corriente externa.

«Debido a que el reactor de lecho empacado es compacto, tiene más flexibilidad en términos de aplicaciones que un gran reactor electroquímico», dice Zhang. «Las partículas pueden ser muy pequeñas y no requieren cables externos para impulsar la reacción electroquímica».

En el trabajo futuro, Strano espera usar este tipo de generación de energía para construir polímeros usando solo dióxido de carbono como materia prima. En un proyecto relacionado, ya ha creado polímeros que pueden autorrenovarse utilizando dióxido de carbono como material de construcción, en un proceso de energía solar. El trabajo está inspirado en la fijación de carbono, el conjunto de reacciones químicas que utilizan las plantas para producir azúcares a partir del dióxido de carbono, utilizando la energía del sol.

A largo plazo, este enfoque también se puede utilizar para alimentar micro o nanorobots. El laboratorio de Strano ya ha comenzado a construir robots de este tamaño, que algún día podrían usarse como sensores ambientales o de diagnóstico. Dice que la idea de poder extraer energía del medio ambiente para alimentar este tipo de robots es atractiva.

«Esto significa que no es necesario incorporar almacenamiento de energía», dice. «Lo que nos encanta de este mecanismo es que puede tomar la energía, al menos en parte, del medio ambiente».

Referencia: «Electroquímica inducida por solventes en una partícula de carbono Janus eléctricamente asimétrica» ​​por Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Anton L. Cottrell, Amir Kaplan, J. Chang, Hyuna Kim, Ravid S. Strano, 7 de junio de 2021, disponible aquí. Conexiones con la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23038-7

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y una subvención inicial de la Iniciativa de Energía del MIT.