Pequeñas partículas para grandes temas
La microscópica ciencia ya está siendo aplicada en una serie de objetos de uso diario, pero investigadores esperan seguir dándole más utilidad. La Nación 02 de agosto de 2007.
Kim Thomas
Si el término nanotecnología evoca visiones futurísticas de “grey goo” (el hipotético fin del mundo producido por la multiplicación anárquica de nanorobots que lo devorarían todo) y robots auto-duplicables, piénsenlo de nuevo.
La nanotecnología -a una escala de más o menos una millonésima de milímetro- ya está siendo usada en objetos de la vida diaria, desde pantalones impregnados con nanopartículas para volverlos resistentes a las manchas, hasta cremas solares que mejoran su poder filtrador. De hecho, el uso más extendido de la nanotecnología está en los cosméticos.
Pero también puede ser usada para afrontar temas mayores, y no existe uno más grande que el calentamiento global. Las nanopartículas pueden ser usadas para mejorar la eficiencia energética de los materiales tradicionales. Los ejemplos van desde ampolletas que duran 60 años, las que están siendo desarrolladas en la Universidad de Cambridge, hasta el Envirox, un aditivo para combustible basado en nanopartículas usado para mejorar la eficiencia de buses.
Y si los científicos del Imperial College tienen éxito, pronto podríamos reemplazar los viejos hervidores a gas de los hogares por unos basados en celdas de combustible; unos aparatos de 5×5 centímetros, parecidos a baterías, que convierten energía química (producida por una mezcla de hidrógeno y oxígeno) a energía eléctrica, produciendo al mismo tiempo calor.
Debido a que no hay piezas intermediarias en la conversión del combustible a electricidad, las celdas son entre 5 y 10% más eficientes que las fuentes tradicionales, volviendo más económico su uso a la vez que más amigable con el medioambiente.
Tanta confianza tienen en su producto que hace seis años científicos de Imperial, liderados por el profesor John Kilner, crearon una compañía derivada llamada Ceres Power, que se asoció con Centrica para producir la celdas y comercializarlas como unidades de calor y energía para usuarios domésticos.
Si bien el hidrógeno puro puede ser usado como fuente de combustible, en la actualidad las celdas tienden a usar como combustible un hidrocarburo como el metano, porque el hidrógeno no está ampliamente disponible. El oxígeno requerido para el proceso es obtenido directamente del aire. Si eso cambia -y Kilner así lo cree- entonces las celdas se harán aún más amigables con el medioambiente porque el hidrógeno no produce emisiones de carbono. Mientras tanto, el hecho que la celdas trabajen con hidrocarburos significa que los usuarios domésticos serán capaces de emplear combustibles de proveedores existentes en vez de tener que instalar un suministro fijo.
De momento, todo bien. Pero hasta ahora, el desarrollo de celdas de combustible como fuentes de poder ha sido entorpecido por el hecho de que las celdas de combustible óxido necesarias para proveer de electricidad el consumo doméstico están hechas principalmente de materiales cerámicos y funcionan a muy altas temperaturas. La primera generación de celdas de combustible óxido funcionaba a 1.000 grados Celsius; la segunda, a 700 grados.
Cómo bajar los costos
El costo de usar materiales que puedan resistir estas temperaturas vuelve las celdas demasiado caras. El desafío que enfrenta el equipo del Imperial College es cómo bajar la temperatura, y los costos.
Es ahí donde entra la nanotecnología. A escalas nanométricas, los materiales de uso corriente poseen propiedades diferentes: por ejemplo, los granos de sal se disuelven en agua mucho más rápido que una piedra de sal. Asimismo, cambia la importancia relativa de las distintas leyes de la física y los efectos que normalmente no vemos -como los cuánticos- se vuelven menos significativos. Al manipular la materia a un nano-nivel, los científicos pueden hacer que se comporte de manera diferente.
Para bajar la temperatura, Kilner y su equipo necesitan observar la composición de los átomos individuales en la superficie del material cerámico. Kilner ha estado trabajando con estos materiales por 20 años pero es sólo en los últimos dos o tres que él y sus colegas han sido capaces de estudiar los átomos tan de cerca como lo necesitan. Los microscopios anteriores producían imágenes de átomos que eran borrosas y se hacía difícil trabajar con ellas. Instrumentos cada vez más potentes han hecho una enorme diferencia: el equipo del Imperial College está usando un microscopio hecho por la compañía FEI, Titan (el microscopio electrónico de transmisión más potente del mundo disponible comercialmente), que les permite ver imágenes bien definidas y enfocadas de átomos individuales. “Hace 20 años ni se soñaban las técnicas que ahora tenemos”, dice Kilner.
Bajas temperaturas
Empleando nanotecnología para manipular los materiales cerámicos, el equipo de Kilner ha sido capaz de bajar de 700 a unos 600 grados la temperatura operativa de las celdas. Pero esto crea problemas adicionales: “la cerámica es una parte activa de la celda, pero para trabajar a bajas temperaturas, necesitan ser muy delgadas, menos de una décima de milímetro, y con ese espesor la cerámica no soporta su peso. Muchos metales pueden ser usados para sostener la delgada cerámica, pero la mayoría son caros y difíciles de trabajar”.
La solución, paradójicamente, es hacer las cerámicas aún más delgadas: “si las cerámicas son lo suficientemente delgadas, pueden funcionar a temperaturas en que aceros inoxidables sean usados como soporte mecánico, materiales más fáciles de trabajar y mucho más baratos”. Para esto, los científicos necesitan estudiar los átomos individualmente en la superficie de la cerámica. “Las superficies son importantes porque las reacciones electroquímicas que involucran el combustible y el oxígeno ocurren en la superficie y la interfase de los componentes de la cerámica. En muchos casos, los átomos en la superficie provienen de contaminantes, un obstáculo”, dice Kilner.
Una vez que puedan comprender la composición de los materiales, podrán cambiarla un nano-nivel para sacar los contaminantes, y de esa forma optimizar la reacción electroquímica. Basándose en sus éxitos que ha tenido hasta ahora, Kilner confía en que su investigación resultará en un producto comercializable.
Esto está lejos del grey goo y robots auto-replicantes, pero tal vez las celdas del Imperial College anuncien un tipo de revolución más tranquila, reduciendo las emisiones dañinas y disminuyendo las cuentas de luz de un solo golpe. No es tan espectacular, pero mucho más apasionante para quienes se preocupan del medioambiente.