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

Las llamas de alta temperatura son esenciales para producir muchos materiales. Sin embargo, controlar un incendio y su interacción con el material previsto puede ser difícil. Los científicos ahora han desarrollado un método que utiliza una fina capa protectora de moléculas 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 tratado.

«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 ha iniciado un incendio, a menudo tiene poco control sobre su comportamiento.

«Nuestra técnica, que llamamos degradación térmica inversa (ITD), utiliza un en la 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 velocidad a la que se calienta el material, lo que a su vez influye en las reacciones químicas que tienen lugar dentro del material. Básicamente, podemos refinar cómo y dónde el fuego cambia el material. »

Así es como funciona ITD. Empiezas con tu material objetivo, como una fibra de celulosa. Luego, esta fibra se cubre con una capa nanométrica de moléculas. Las fibras recubiertas se exponen luego a una llama intensa. La superficie exterior de las moléculas se quema fácilmente, elevando la temperatura en las inmediaciones. 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 encienda. En cambio, las fibras arden sin llama, ardiendo lentamente, de adentro hacia afuera.

“Sin la capa protectora de ITD, aplicar una llama 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 ajustar 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 de concepto con fibras de celulosa para producir tubos de carbono a microescala.

Los investigadores pudieron controlar el grosor de la pared de los tubos de carbono al controlar el tamaño de las fibras de celulosa con las que comenzaron; introduciendo 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. «Nous sommes également ouverts à travailler avec le secteur privé pour explorer diverses utilisations pratiques, telles que le développement de tubes de carbone techniques pour la séparation huile-eau – qui seraient utiles à la fois pour les applications industrielles et l’assainissement de l’ medio ambiente.»

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