miércoles, 9 de agosto de 2017

Carros de plástico


Alguna vez conduciendo al trabajo con algunos compañeros nos preguntamos ¿y porque los carros no son de plástico? Dejando de lado el asunto de la biodegradabilidad de los plásticos, que es muy mala, las ventajas de tener automóviles más ligeros son naturalmente evidentes, menos masa en la carrocería debería requerir menos gasto en combustible. La razón para esto es sin embargo técnica y se debe a la limitada conductividad eléctrica de los plásticos, los cuales fritarían el motor en un viaje común al trabajo. Ya sé que en nuestra discusión sobre los alquenos le dimos duro a los plásticos (enlace →), sin embargo aunque fuera corto también señalamos que usar madera en su lugar hubiera sido poco viable, por lo que nos encontramos ante una delicada cuestión social, ecológica y científica en la que se debe hilar fino. Para equilibrar la balanza a favor de lo bueno que puede llegar a ser el uso de los plásticos tenemos la siguiente aplicación. Los plásticos avanzados podrían introducir componentes más ligeros, más baratos y más eficientes desde el punto de vista energético, incluidos los que se usan en vehículos, LEDs y computadoras, el problema que aun los mantiene fuera del mercado es que no son buenos disipar el calor.

Una nueva técnica que puede cambiar la estructura molecular del plástico para ayudar a eliminar el calor es un paso prometedor en esa dirección. Desarrollado por un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan en ciencia de materiales e ingeniería mecánica y detallado en un nuevo estudio publicado en Science Advances, el proceso es barato y escalable. El concepto puede ser adaptado a una variedad de otros plásticos. En las pruebas preliminares, hizo un polímero casi tan térmicamente conductor como el vidrio - todavía mucho menos que los metales o cerámica, pero seis veces mejor en la disipación de calor que el mismo polímero sin el tratamiento.

"Los plásticos están reemplazando los metales y la cerámica en muchos lugares, pero son tan malos conductores de calor que nadie los considera para aplicaciones que requieren que el calor se disipe de manera eficiente", dijo Jinsang Kim, profesor de ingeniería y materiales de U-M. "Estamos trabajando para cambiar eso aplicando la ingeniería térmica a los plásticos de una manera que no se ha hecho antes." El proceso es muy diferente a los enfoques anteriores, que se han centrado en la adición de rellenos metálicos o cerámicos a los plásticos. Esto ha tenido un éxito limitado; Una gran cantidad de cargas debe ser añadidas, lo que es costoso y puede cambiar las propiedades del plástico de manera indeseable. En su lugar, la nueva técnica utiliza un proceso que ingenia la estructura del propio material. Los plásticos están hechos de largas cadenas de moléculas que están fuertemente enrolladas y enredadas como un cuenco de espaguetis. A medida que el calor viaja a través del material, debe viajar a lo largo y entre estas cadenas, la poca movilidad molecular hace que los plásticos sean malos conductores del calor.

El equipo - que también incluye profesor asociado de ingeniería mecánica de la UM Kevin Pipe, al investigador en ingeniería mecánica Chen Li y al estudiante de ciencia de materiales e ingeniería mecánica Apoorv Shanker. Ellos usaron un proceso químico para expandir y enderezar las cadenas de moléculas. Esto dio a la energía térmica una ruta más directa a través del material. Para lograr esto, comenzaron con un polímero típico, o plástico. Primero disolvieron el polímero en agua, luego añadieron electrolitos a la solución para elevar su pH, haciéndolo alcalino. Los eslabones individuales en la cadena del polímero - llamados monómeros - toman una carga negativa, lo que hace que se repelan entre sí. A medida que se separan, las cadenas apretadas de la cadena polimérica se despliegan y desenredan. Finalmente, el agua y la solución de polímero se rocían sobre placas usando un proceso industrial común llamado centrifugado, que lo reconstituye en una película de plástico sólido. Las cadenas de moléculas desenrolladas dentro del plástico hacen más fácil que el calor pase a través del nuevo material. El equipo también descubrió que el proceso tiene un beneficio secundario: endurece las cadenas de polímero y las ayuda a ensamblarse más fuertemente, haciéndolas aún más térmicamente conductivas.

"Las moléculas de polímero conducen el calor por vibración molecular, y una cadena de moléculas más rígidas puede vibrar más fácilmente", dijo Shanker. "Piensen en una cuerda de guitarra fuertemente estirada en comparación con un pedazo de cuerda suelta enrollada, la cuerda de la guitarra vibrará al ser estirada, la cuerda no, las cadenas de moléculas de polímero se comportan de manera similar".  Pipe afirma que el trabajo puede tener consecuencias importantes debido al gran número de aplicaciones de polímeros en las que la temperatura es importante. "Los investigadores han estudiado formas de modificar la estructura molecular de los polímeros para diseñar sus propiedades mecánicas, ópticas o electrónicas, pero muy pocos estudios han examinado enfoques de diseño molecular para diseñar sus propiedades térmicas", dijo Pipe. "Aunque el flujo de calor en los materiales es a menudo un proceso complejo, incluso pequeñas mejoras en las conductividades térmicas de los polímeros pueden tener un gran impacto tecnológico".

El equipo ahora está buscando hacer compuestos que combinen la nueva técnica con varias otras estrategias de disipación de calor para aumentar aún más la conductividad térmica. También están trabajando para aplicar el concepto a otros tipos de polímeros más allá de los utilizados en esta investigación. Un producto comercial es probable que varios años de distancia. "Estamos buscando usar solventes orgánicos para aplicar esta técnica a polímeros no solubles en agua", dijo Li. "Pero creemos que el concepto de usar electrolitos para polímeros de ingeniería térmica es una idea versátil que se aplicará a través de muchos otros materiales".

Los plásticos están aquí para quedarse, por lo que serpia interesante que los plásticos diseñados para ser tensados en estas placas de conducción térmica fueran diseñadas no solo para conducir el calor, sino también para ser amigables al medioambiente, supongo que solo el tiempo nos dará la respuesta, aunque una cosa si es importante, cualquier avance técnico a estas alturas debe estar pensado desde la mayor cantidad de perspectivas posible, no se debe abrazar todo lo nuevo sin realizar un análisis crítico de sus beneficios y perjuicios.

Referencias principales

Shanker, A., Li, C., Kim, G. H., Gidley, D., Pipe, K. P., & Kim, J. (2017). High thermal conductivity in electrostatically engineered amorphous polymers. Science Advances, 3(7), e1700342.

Referencias secundarias

University of Michigan. (2017, August 2). Heat-conducting plastic could lead to lighter electronics, cars. ScienceDaily. Retrieved August 9, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170802134751.htm


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