Tecnología de nanotubo de carbono para un mundo más inteligente y seguro
29 Nov 2019
Las cosas potentes tienen envases pequeños y las moléculas nanonizadas son unas de las más pequeñas. Hay una creciente demanda de nanotubos de carbono y materiales basados en grafeno debido al valor añadido especializado que añaden en diversas aplicaciones, como electrónica, vestuario inteligente y protección del entorno, sobre todo del agua.
Dada su abrasividad y tendencia a aglomerarse, los nanotubos de carbono y de grafeno son difíciles de romper y reorganizar en cadenas usables. Sin embargo, una vez conseguido esto, ofrecen unas propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas excepcionales. Nos sentamos a conversar con elDr. Silvia Grasselli, Director de Tecnología de Procesos - Homogeneización en GEA, para descubrir cómo la tecnología de GEA está ayudando a lanzar estos interesantes materiales y qué dirige la tendencia, con unas ventas previstas de US$ 2,86 mil millones para 2025.
¿Qué son los nanotubos de carbono y de grafeno y cómo se usan?
SG:No olvidemos que ‘nano’ es una palabra en griego que significa ‘enano’. Un ‘nanómetro’ es una mil millonésima de un metro, equivalente a una milésima del ancho de un cabello humano, en cuyo caso esas partículas no serán observables al ojo humano. Un nanotubo de carbono es una lámina de grafeno, básicamente una retícula hexagonal de carbono que desarrolla una forma cilíndrica y puede tener una o doble pared. El grafeno es una capa de grafito bidimensional que consiste de una sola capa de átomos de carbono dispuesta en un patrón hexagonal. El grafeno es un elemento estructural básico de los nanotubos de carbono y es el material más durable conocido por el hombre; también es muy maleable y elástico. Dado que tiene el grosor de un solo átomo, es casi transparente y constituye un excelente conductor eléctrico y térmico.
Con una resistencia a la tracción 50 veces superior a la del acero, los nanotubos de carbono (CNT) son fuertes a la vez que ligeros. Los CNT y el grafeno comparten muchas de sus propiedades (por ej., buena conductividad eléctrica y térmica) y compiten entre ellos en muchas aplicaciones idénticas, como ordenadores y teléfonos móviles, que pueden incluir CNT, grafeno o una combinación de ambos en sus componentes. Estos nanomateriales también se usan como refuerzo estructural en automóviles, aviones, bicicletas, e incluso raquetas de tenis. Además, sus excelentes cualidades de absorción los hacen eficaces para limpiar vertidos de crudo. También parecen ser prometedores a la hora de descomponer los microplásticos en componentes que sean más seguros para el medio ambiente.
¿Cuál es el rol de GEA en la producción de nanotubos de carbono?
SG:Aunque el mundo conoce los nanotubos de carbono y el grafeno desde hace años, no hemos aprovechado sus potenciales. Esto se debe en parte a que son abrasivos, con una cierta tendencia a aglomerarse y enrederse que los hace difícil de descomponer y reestructurar. Para conseguir esto, GEA ha patentado un proceso combinado con una determinada configuración de sushomogeneizadores, que utilizan alta presión para romper las nanomoléculas sin dañarlas, asegurando en paralelo una total continuidad de la producción.
El principio del proceso implica dispersar el producto en polvo en una mezcla que contiene, sobre todo, agua. A partir de ahí, entra en el homogeneizador, que rompe los aglomerados, los separa y luego coloca los nanotubos, uno tras otro, para crear una estructura lineal. Como resultado, la superficie se incrementa y promueve un superior aislamiento o transmisión, por ejemplo, en electrónica. Esta es la manera más eficiente de dispersar y desagregar los grumos en paredes sencillas, permitiendo un proceso de fabricación robusto y escalable que ofrezca productos consistentes de alta calidad, que en el siguiente paso, normalmente se bañan con líquidos o resinas.
La serie de homogeneizadores GEA Ariete proporciona la alta presión que se necesita para obtener tanto CNT como grafeno para su uso a escala industrial.
¿Estos materiales son seguros?
SG:Están integrados en productos de vestuario y electrónica, y los usuarios no están en riesgo por el uso de nanotubos de carbono ni grafenos. En su forma en polvo, sin embargo, las partículas de carbono deben manipularse con gran cuidado y no inhalarse. Si conectamos más procesos individuales, la gestión de estos productos en polvo se minimiza e incluso elimina. En un consorcio de la UE establecido entre 2006 y 2010, GEA y 22 socios exploraron la manera de fabricar y desarrollar nanopartículas de modo seguro. Un hallazgo muy importante de su estudio es que con el uso de latecnología de secado por atomización de GEA, podían incrementar el uso seguro de estos productos en polvo, gracias a que este paso del procesado convierte las nanopartículas en micropartículas que, debido a su tamaño, no se desprenden al aire. Además, conservan sus exclusivas propiedades.
Además de investigar el proceso durante años con clientes, hemos colaborado con el Instituto Italiano de Tecnología, que está realizando ensayos con una de nuestras unidades para laboratorio, para desarrollar el uso seguro de los nanotubos de carbono y el grafeno en sus distintas aplicaciones. Como resultado, es posible aplicar nuestros hallazgos directamente, lo que es una gran ventaja para nuestros clientes.
¿Cuáles son los factores de crecimiento del uso de los nanotubos de carbono y el grafeno?
SG:Ambos tienen un gran valor que aumentará con el tiempo, dado que se ha incrementado su producción a escala industrial, lo que lo hace comercialmente viable. El enfoque masivo sobre el medio ambiente y los resultados positivos logrados con esta tecnología para limpiar el petróleo del agua y descomponer los plásticos, serán factores importantes, aunque estas aplicaciones aún están en etapa de formación.
Cada vez se usan más en revestimientos y materiales compuestos dentro de los plásticos, construcción, automoción, baterías, energía, aeroespacial e industria de metales. Por ejemplo, los electrodos formados con nanotubos de carbono son diez veces más finos y tienen una conductividad casi 100 veces superior comparado con los electrodos de carbono amorfo. La creciente demanda de baterías de ion-litio con una conductividad más alta en automóviles eléctricos también abrirá nuevas vías para el crecimiento del mercado de nanotubos de carbono. Desde luego, el uso cada vez más frecuentede distintos dispositivos continuará marcando la tendencia para estos materiales, pues su estructura y propiedades son idóneas para aplicaciones que impliquen una transferencia de datos eficiente, algo que tanto empresas como consumidores esperan que ocurra al instante.
Dadas sus cualidades especiales como no conductores o aislantes, los nanotubos de carbono y el grafeno han reducido la huella de espacio de nuestros dispositivos y centros de tecnología. Los servidores, por ejemplo, ya no necesitan salas enteras con ventiladores, sino que caben básicamente en una pequeña caja“.– Dr. Silvia Grasselli, Directora de Tecnologías de Procesos - Homogeneización, GEA Italy
– Dr. Silvia Grasselli, Directora de Tecnologías de Procesos - Homogeneización, GEA Italy
¿Cómo usan los clientes de GEA estos materiales y en cuáles industrias y aplicaciones?
SG: Como hemos mencionado, ahora colaboramos con el Instituto Italiano de Tecnología, que está usando la tecnología de homogeinización de GEA en pruebas para desarrollar nanotubos que puedan aprovecharse en distintas aplicaciones. Más recientemente, hemos publicado nuestros hallazgos combinados sobre la creación de sustratos de papel funcionales con nanocarbonos como alternativa sostenible a los sustratos de plásticos o metales. Este es un paso importante para tratar los componentes electrónicos residuales, haciendo que sea más reciclables y fáciles de manejar.
Tenemos clientes en Europa y Asia que están proporcionando productos a base de grafeno y nanotubos de carbono para su uso en electrónica y en baterías. Gracias a sus propiedades técnicas, estos materiales también están acelerando la transferencia de datos, a la vez que se reduce el tamaño de las salas de servidores y los dispositivos, dada su extraordinaria capacidad aislante que minimiza la transferencia de calor y, con ello, los daños por acumulación de este. Gracias a nuestras colaboraciones, conseguimos mejorar e individualizar nuestros equipos y procesos de homogeinización; el resultado, en uno de los casos, ha sido una importante patente para GEA y mejores resultados de la máquina y el producto para el cliente.
Uno de nuestros clientes de la industria química ha desarrollado varios productos a base de grafeno; por ejemplo, algunos tienen propiedades de barrera para revestimientos y pinturas; actúan como aditivos de rendimiento en lubricantes, o mejoran la conductividad en materiales compuestos y plásticos. También tienen productos que se emplean en envasado, moldeado y pintura 3D. Otro cliente de GEA ha desarrollado un proceso para integrar nanoplateletas de grafeno en prendas de vestir, incluyendo ropa y calzado de deportes; como el cuerpo produce un exceso de calor en algunas áreas, este calor se distribuye alrededor de la ropa, dándole un uso más eficiente, a la vez que se minimizan la estática y la fricción. Como se ha mencionado, estamos utilizando materiales basados en grafeno para limpiar vertidos de petróleo, y para tratar aguas residuales. De hecho, esta tecnología permite reutilizar los hidrocarburos absorbidos y los aceites adsorbentes.
¿Qué puede la industria esperar de GEA cuando se trata de homogeneización, nanotubos de carbono o grafeno?
SG:Al mejorar el diseño y durabilidad de nuestros homogeneizadores, GEA ha ayudado a reducir el coste total de propiedad en cuanto a la fabricación de nanotubos de carbono y de grafeno. Esto no fue fácil, dado que el material causó una erosión inmediata cercana de las válvulas del homogeneizador, en 24 horas. Hoy en día, podemos ayudar a clientes de todos los sectores con un desarrollo y producción más eficientes de estos materiales.
En nuestro centro de tecnologías de procesos para homogeneización en Parma, Italia, proporcionamos a nuestros clientes pruebas piloto y de laboratorio, además de la experiencia que necesitan en el desarrollo de sus productos, donde hay que incluir el análisis de costes y la escalabilidad. Cuando combinamos esto con soporte en el sitio del cliente, minimizamos su riesgo de inversión y le garantizamos un lanzamiento exitoso.
