Una nueva forma de controlar el fuego: los científicos desarrollan un nuevo material a nanoescala

Las llamas de alta temperatura son esenciales para la producción de muchos materiales. Sin embargo, controlar un incendio y su interacción con el material previsto puede ser un desafío. Los científicos ahora han desarrollado un método que utiliza una capa protectora tan delgada como una molécula para controlar cómo el calor de la llama interactúa con el material, domando el fuego y permitiendo a los usuarios ajustar las características del material que se procesa.

«El fuego es una valiosa herramienta de ingeniería; después de todo, un alto horno es solo un fuego intenso», dice Martin Thuo, 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 cómo se comporta.

“Nuestra técnica, que llamamos degradación térmica inversa (ITD), emplea un nanoescala película delgada sobre un material específico. La película delgada cambia en respuesta al calor del fuego y regula la cantidad de oxígeno que puede acceder al material. Esto significa que podemos controlar la rapidez con la que se calienta el 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 el material».

Así es como funciona ITD. Comienza con el material objetivo, como una fibra de celulosa. Luego, esa fibra se recubre con una capa de moléculas de un nanómetro de espesor. Las fibras recubiertas se exponen luego a una llama intensa. La superficie exterior de las moléculas se quema fácilmente, elevando la temperatura en el área inmediata. Pero la superficie interna del revestimiento molecular cambia químicamente, creando una capa de vidrio aún más delgada alrededor de las fibras de celulosa. Este vidrio limita la cantidad de oxígeno que puede acceder a las fibras, evitando que la celulosa se incendie. En cambio, las fibras se queman, ardiendo sin llama, de adentro hacia afuera.

“Sin la capa protectora del ITD, aplicar llamas a las fibras de celulosa solo produciría cenizas”, dice Thuo. “Con la capa protectora del ITD, terminas con tubos de carbono.

“Podemos diseñar la capa protectora para regular la cantidad de oxígeno que llega al material objetivo. Y podemos diseñar el material objetivo para producir características deseables”.

Los investigadores realizaron demostraciones de prueba con fibras de celulosa para producir tubos de carbono a microescala.

Los investigadores pudieron controlar el grosor de las paredes del tubo de carbono controlando el tamaño de las fibras de celulosa con las que comenzaron; introducir varias sales en las fibras (lo que controla aún más la velocidad de combustión); y variando la cantidad de oxígeno que pasa a través de la capa protectora.

“Ya tenemos varias aplicaciones en mente, que abordaremos en futuros estudios”, dice Thuo. «También estamos abiertos a trabajar con el sector privado para explorar varios usos prácticos, como el desarrollo de tubos 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 a través de aductos de superficie de transformación térmica» por Chuanshen Du, Paul Gregory, Dhanush U. Jamadgni, Alana M. Pauls, Julia J. Chang, Rick W. Dorn, Andrew Martin, E. Johan Foster, Aaron J. Rossini y Martin Thuo, 19 de julio de 2023, Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202308822