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2021-04-22Electrificar el cemento con negro de nanocarbono

MIT |Una colaboración entre el MIT y el CNRS ha dado como resultado un cemento que conduce la electricidad y genera calor.

Desde su invención hace varios milenios, el hormigón ha sido fundamental para el avance de la civilización y se ha utilizado en innumerables aplicaciones de construcción, desde puentes hasta edificios. Sin embargo, a pesar de los siglos de innovación, su función ha seguido siendo principalmente estructural.

Un esfuerzo plurianual de los investigadores del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), en colaboración con el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, se ha propuesto cambiar esta situación. Su colaboración promete hacer que el hormigón sea más sostenible añadiendo nuevas funcionalidades, concretamente la conductividad de los electrones. La conductividad de los electrones permitiría utilizar el hormigón para una serie de nuevas aplicaciones, desde el autocalentamiento hasta el almacenamiento de energía.

Su enfoque se basa en la introducción controlada de materiales de nanocarbono altamente conductores en la mezcla de cemento. En un artículo publicado en Physical Review Materials, validan este enfoque y presentan los parámetros que dictan la conductividad del material. 

Nancy Soliman, autora principal del artículo y postdoc en el CSHub del MIT, cree que esta investigación tiene el potencial de añadir una dimensión totalmente nueva a lo que ya es un material de construcción popular.

"Este es un modelo de primer orden del cemento conductor", explica. "Y aportará [los conocimientos] necesarios para fomentar la ampliación de este tipo de materiales [multifuncionales]". 

De la nanoescala al estado del arte

En las últimas décadas, los materiales de nanocarbono han proliferado gracias a su combinación única de propiedades, la principal de las cuales es la conductividad. Científicos e ingenieros han propuesto anteriormente el desarrollo de materiales que puedan impartir conductividad al cemento y al hormigón si se incorporan en su interior.

Para este nuevo trabajo, Soliman quería asegurarse de que el material de nanocarbono que seleccionaron fuera lo suficientemente asequible como para ser producido a escala. Ella y sus colegas se decidieron por el negro de nanocarbono, un material de carbono barato con una excelente conductividad. Comprobaron que sus predicciones sobre la conductividad se confirmaban.

"El hormigón es un material aislante por naturaleza", dice Soliman, "pero cuando añadimos partículas de negro de nanocarbono, pasa de ser un aislante a un material conductor".

Al incorporar negro de nanocarbono en sólo un 4 por ciento del volumen de sus mezclas, Soliman y sus colegas descubrieron que podían alcanzar el umbral de percolación, el punto en el que sus muestras podían conducir una corriente.

Se dieron cuenta de que esta corriente también tenía un resultado interesante: Podía generar calor. Esto se debe a lo que se conoce como efecto Joule.

"El calentamiento Joule (o calentamiento resistivo) está causado por las interacciones entre los electrones en movimiento y los átomos del conductor, explica Nicolas Chanut, coautor del artículo y postdoctorado en el CSHub del MIT. "Los electrones acelerados en el campo eléctrico intercambian energía cinética cada vez que chocan con un átomo, induciendo la vibración de los átomos en la red, lo que se manifiesta como calor y un aumento de la temperatura en el material".

En sus experimentos, descubrieron que incluso un pequeño voltaje -de tan sólo 5 voltios- podía aumentar la temperatura de la superficie de sus muestras (de aproximadamente 5 cm3) hasta 41 grados Celsius (unos 100 grados Fahrenheit). Aunque un calentador de agua estándar podría alcanzar temperaturas comparables, es importante tener en cuenta cómo se aplicaría este material en comparación con las estrategias de calentamiento convencionales.

"Esta tecnología podría ser ideal para la calefacción por suelo radiante en interiores", explica Chanut. "Normalmente, la calefacción radiante de interiores se realiza haciendo circular agua caliente por tuberías que pasan por debajo del suelo. Pero este sistema puede ser difícil de construir y mantener. Sin embargo, cuando el propio cemento se convierte en un elemento calefactor, el sistema de calefacción es más sencillo de instalar y más fiable. Además, el cemento ofrece una distribución del calor más homogénea gracias a la buena dispersión de las nanopartículas en el material".

El cemento de nanocarbono podría tener también varias aplicaciones en el exterior. Chanut y Soliman creen que, si se aplica en los pavimentos de hormigón, el cemento de nanocarbono podría mitigar los problemas de durabilidad, sostenibilidad y seguridad. Gran parte de estas preocupaciones se derivan del uso de la sal para el deshielo.

"En Norteamérica, vemos mucha nieve. Para eliminar esta nieve de nuestras carreteras es necesario utilizar sales de deshielo, que pueden dañar el hormigón y contaminar las aguas subterráneas", señala Soliman. Los camiones de gran tonelaje que se utilizan para echar sal en las carreteras son también grandes emisores y su funcionamiento es caro.

Al permitir el calentamiento radiante de los pavimentos, el cemento de nanocarbono podría utilizarse para deshelar los pavimentos sin sal de carretera, lo que supondría un ahorro potencial de millones de dólares en costes de reparación y explotación, al tiempo que se solucionarían los problemas de seguridad y medioambientales. En determinadas aplicaciones en las que es primordial mantener unas condiciones excepcionales de los pavimentos, como las pistas de los aeropuertos, esta tecnología podría resultar especialmente ventajosa.       

Cables enredados

Aunque este cemento de última generación ofrece soluciones elegantes a toda una serie de problemas, la consecución de la multifuncionalidad planteó una serie de retos técnicos. Por ejemplo, sin una forma de alinear las nanopartículas en un circuito funcional -conocido como cableado volumétrico- dentro del cemento, su conductividad sería imposible de aprovechar. Para garantizar un cableado volumétrico ideal, los investigadores investigaron una propiedad conocida como tortuosidad.

"La tortuosidad es un concepto que introdujimos por analogía desde el campo de la difusión", explica Franz-Josef Ulm, líder y coautor del trabajo, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental del MIT, y asesor de la facultad en CSHub. "En el pasado, ha descrito cómo fluyen los iones. En este trabajo, lo utilizamos para describir el flujo de electrones a través del cable volumétrico".

Ulm explica la tortuosidad con el ejemplo de un coche que viaja entre dos puntos de una ciudad. Aunque la distancia entre esos dos puntos a vuelo de pájaro podría ser de tres kilómetros, la distancia real recorrida podría ser mayor debido a la circuidez de las calles.

Lo mismo ocurre con los electrones que viajan a través del cemento. El camino que deben recorrer dentro de la muestra es siempre más largo que la longitud de la propia muestra. El grado en que ese camino es más largo es la tortuosidad.

Conseguir la tortuosidad óptima significa equilibrar la cantidad y la dispersión del carbono. Si el carbono está demasiado disperso, el cableado volumétrico será escaso, lo que provocará una alta tortuosidad. Del mismo modo, si no hay suficiente carbono en la muestra, la tortuosidad será demasiado grande para formar un cableado directo y eficiente con alta conductividad.

Incluso la adición de grandes cantidades de carbono podría resultar contraproducente. Llegado un punto, la conductividad dejará de mejorar y, en teoría, sólo aumentaría los costes si se aplicara a escala. Como resultado de estas complejidades, buscaron optimizar sus mezclas.

"Descubrimos que ajustando el volumen de carbono podemos alcanzar un valor de tortuosidad de 2", dice Ulm. "Esto significa que el camino que recorren los electrones es sólo el doble de la longitud de la muestra".

Cuantificar estas propiedades era vital para Ulm y sus colegas. El objetivo de su reciente artículo no era sólo demostrar que el cemento multifuncional era posible, sino que también era viable para su producción en masa.

"El punto clave es que para que un ingeniero capte las cosas, necesita un modelo cuantitativo", explica Ulm. "Antes de mezclar materiales, quiere poder esperar ciertas propiedades repetibles. Eso es exactamente lo que este documento esboza; separa lo que se debe a las condiciones de contorno -condiciones ambientales [extrañas]- de lo que realmente se debe a los mecanismos fundamentales dentro del material".

Al aislar y cuantificar estos mecanismos, Soliman, Chanut y Ulm esperan proporcionar a los ingenieros exactamente lo que necesitan para aplicar el cemento multifuncional a mayor escala. El camino que han trazado es prometedor y, gracias a su trabajo, no debería resultar demasiado tortuoso.

La investigación fue apoyada por la Asociación de Cemento Portland y la Fundación de Investigación y Educación sobre el Hormigón Listo a través del Centro de Sostenibilidad del Hormigón.

MIT
Autor
MIT

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