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¿Podrían los nanocristales ser la próxima gran fuente de combustible?

¿Podrían los nanocristales ser la próxima gran fuente de combustible?

Nanocristales: una solución potencialmente voluminosa en envases microscópicos

Como ocurre con la mayoría de las cosas pequeñas que no se comportan como se esperaba, los nanocristales presentan desafíos únicos. Tomemos el oro, por ejemplo. Reconocemos este metal en particular por su característico color dorado. Si buscabas oro, también reconocerás una pequeña mancha dorada por su color. Reduzca ese punto a un nanómetro, sin embargo, y no podrá reconocerlo (incluso si pudiera ver un nanocristal). Se volverá azul verdoso o rojo porque los nanocristales, al ser tan pequeños, casi tienen superficie. Esta relación de área más grande permite que los nanocristales metálicos absorban colores en lugar de reflejarlos. [source: Boysen].

Si bien este pequeño hecho puede impresionar a sus amigos en las fiestas, este conocimiento, que los nanocristales siguen reglas diferentes a los de otros materiales, también puede afectar las fuentes de combustible en todo el mundo. Los nanocristales no solo pueden tener diferentes cualidades de partículas más grandes del mismo material, sino que reaccionan de manera diferente con otros elementos. Cuanto más pequeña es la partícula, más átomos tiene en la superficie; cuanto mayor sea el número de átomos en la superficie, mayor será la superficie y mayor será la capacidad de interactuar con otros elementos.

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Piénselo de esta manera: está nadando en un cilindro de agua que es profundo, pero no ancho. Puede tocar los bordes del cilindro simplemente estirando los brazos y las piernas como una estrella de mar, y luego decidir nadar en una piscina poco profunda del tamaño de una cancha de baloncesto. En igualdad de condiciones, entrará en contacto con una superficie de agua más grande si navega alrededor de la piscina poco profunda de la que flotará en la piscina cilíndrica profunda. Así es también como funcionan los nanocristales. Sus muchas partículas pequeñas tienen múltiples superficies expuestas a otros químicos o elementos, lo que puede resultar en una velocidad de reacción química más rápida.

Esta mayor superficie hace que los nanocristales sean buenos catalizadores o sustancias que permiten reacciones químicas. Cuando se utilizan como catalizadores, los nanocristales pueden aumentar la velocidad de una reacción química sin sufrir modificaciones. Esto significa que los nanocristales pueden convertir las materias primas en combustible a temperaturas más bajas que otros catalizadores. Por otro lado, los nanocristales permiten que se queme más combustible a una temperatura más baja.

La nanotecnología puede hacer que la tecnología actual de combustibles alternativos sea más viable. Por ejemplo, el maíz se convierte en etanol, otro combustible no fósil. Pero cuando el maíz germina y se riega, cosecha, transporta y luego se convierte en etanol, el proceso no es particularmente rentable ni energéticamente eficiente. Usando nanocristales como catalizador, un ejército de enzimas podría consumir de manera rápida y eficiente desechos, como astillas de madera o pasto, y convertirlos en etanol. [source: Understanding Nano].

Sin embargo, solo hay un problema. Las nanopartículas, aunque naturales, son más difíciles de fabricar a propósito. Los investigadores aún tienen que encontrar una manera de explorar las nanopartículas, y mucho menos de producirlas en masa. Cuando lo hacen, podemos tener una fuente de energía renovable, eficiente y económica, una fuente que potencialmente puede conducir a facturas de energía más bajas y vehículos con un mayor kilometraje del motor.

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Nanocristales y pilas de combustible

Encienda una antorcha y vea una pila de combustible en acción. En su forma más básica, una pila de combustible es una fuente de energía que utiliza una reacción química para producir una corriente eléctrica. La batería dentro de la linterna es una celda de combustible que empaqueta sus productos químicos en un paquete pequeño y organizado. Una vez que los productos químicos se desgastan y ya no pueden reaccionar entre sí, la batería se puede recargar o desechar.

Existe otro tipo de pila de combustible que se basa en la entrada de elementos externos. En lugar de tener todos sus elementos bloqueados, una celda de combustible de hidrógeno, por ejemplo, necesita acceso a elementos periféricos como hidrógeno y oxígeno para generar electricidad. [source: CAFCP]. Y ahí es donde entra la nanotecnología. La aplicación de la nanotecnología podría hacer que las pilas de combustible de hidrógeno sean más eficientes y menos costosas de producir; esto puede llevar a precios más bajos para los vehículos propulsados ​​por este tipo de energía alternativa, así como a la producción de pilas de combustible que requieren menos energía para funcionar.

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Con los nanocristales en juego, los costos de producción de las pilas de combustible también pueden disminuir. Tradicionalmente, las pilas de combustible de hidrógeno utilizan platino como catalizador para convertir elementos externos en energía. El platino es relativamente raro y se extrae mediante minería intensiva en energía. El uso de nanocristales de platino reduce drásticamente la cantidad de platino costoso que se necesita para operar una celda de combustible. En algunos casos, se pueden utilizar nanocristales de materiales más baratos, como el cobalto, para evitar por completo la necesidad de platino. [source: Understanding Nano].

Los nanocristales también pueden modificar el material utilizado para construir pilas de combustible. La mayoría de las pilas de combustible utilizan líquido para conectar los electrodos porque el líquido es un mejor conductor que el material sólido. Pero al infundir nanocristales en materiales sólidos, los materiales en sí se vuelven más favorables, eliminando la necesidad de un conductor líquido, lo que resulta en ahorros de espacio, mayor conductividad y celdas de combustible más pequeñas. [source: Science Daily]. En última instancia, la tecnología que utiliza algunas de las partículas más pequeñas del mundo puede conducir a la próxima gran fuente de combustible, o al menos a una forma más eficiente de utilizar las fuentes de combustible que ya tenemos.

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Aunque los humanos solo recientemente han podido controlar las nanopartículas, siempre han existido. Están presentes en las cenizas volcánicas, como las columnas que explotaron del Monte Sant’Elena en 1980.

© Gary Braasch / CORBIS

Soñaste con un día de playa toda la semana. Mientras usa un traje de baño resistente a los rayos ultravioleta, se aplica protector solar y toma su cámara y gafas de sol, lo último en lo que piensa es en la nanotecnología. Sin embargo, es parte de lo que usa, guarda y, en su mayor parte, usa en su vida diaria.

Nanotecnología, que consiste en el estudio y manipulación de una materia tan pequeña que no se puede detectar ni siquiera con un microscopio de alta potencia, ofrece protección UV para traje de baño y bloqueador solar, revestimiento antirreflectante para lentes de cámaras y resistencia al rayado para gafas. Los nanocristales, un tipo de nanopartículas, se utilizan en productos que van desde maquillaje y bolsas de almacenamiento de plástico hasta calcetines resistentes a los olores y pruebas de embarazo caseras. Y algún día, los nanocristales podrán alimentar su automóvil, las cosas alrededor de su hogar o el edificio de oficinas en la calle.

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La nanotecnología es un campo científico emergente lleno de posibilidades, pero este El material ultramicroscópico no se creó en los rincones oscuros del laboratorio de un científico loco. Las nanopartículas están presentes de forma natural. Se encuentran en aerosol, ceniza volcánica y humo. [source: Science Daily]. A veces, los nanocristales son parte de subproductos, como los gases de escape de los vehículos o los gases emitidos durante la soldadura. [source: Nano].

Los nanocristales varían en tamaño de 1 a 100 nanómetros y se miden en una escala nanométrica. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, que es un millón de veces más pequeño que una hormiga. Entonces, ¿cómo puede un nanocristal convertirse en una poderosa fuente de combustible? Después de todo, una hoja de papel promedio tiene 100.000 nanómetros de grosor, lo que la hace enorme en comparación. [source: Nano].

La clave está en el comportamiento de los nanocristales. Las partículas de la mayoría de los tamaños, independientemente de su material, siguen un conjunto común de reglas científicas. Es como si hubieran sido entrenados colectivamente para mantener los codos alejados de la proverbial mesa del comedor; hay expectativas, confirmadas por la observación, sobre cómo interactúan estas partículas. Pero no hay nanocristales.

Los nanocristales son cositas tercas y rebeldes. Y esa es exactamente la razón por la que pueden ser la próxima gran fuente de combustible. [source: Boysen].

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