Crean una pintura que permite detectar tensiones estructurales en edificios

Se ha realizado con nanotubos de carbono, y funciona junto a un espectrómetro infrarrojo portátil

Ingenieros e investigadores de Rice University, en Estados Unidos, han creado una pintura a base de nanotubos de carbono que es capaz de detectar deformaciones y tensiones en construcciones y estructuras varias, pudiendo aplicarse para prevenir accidentes y fallas en edificios, puentes y aviones, por ejemplo. La información que aporta la pintura se obtiene sin tocar la estructura, y puede leerse mediante un espectrómetro infrarrojo portátil. Por Pablo Javier Piacente.

http://youtu.be/JCDA_zzevZw

Una nueva pintura confeccionada con nanotubos de carbono por especialistas de la Rice University de Estados Unidos facilitará la detección de fallas estructurales en edificios, puentes y aviones, convirtiéndose en una herramienta vital para optimizar la prevención de accidentes relacionados con estas deformaciones y averías. Un punto clave es que los datos se obtienen sin necesidad de intervenir sobre las estructuras, empleándose un espectrómetro infrarrojo portátil para descifrar la información. 

La investigación que desembocó en la nueva pintura fue difundida mediante una nota de prensa de Rice University, y además se desarrolló en un artículo publicado recientemente en el medio especializado Nano Letters, de la American Chemical Society, y que fue titulado “Strain Paint: Noncontact Strain Measurement Using Single-Walled Carbon Nanotube Composite Coatings”. 

El revestimiento compuesto podría indicar cuando un material está mostrando signos de deformación, con anterioridad a que los efectos se hagan visibles y sin tocar la estructura. Los especialistas indicaron que esto proporciona una gran ventaja sobre los medidores de tensión convencionales, ya que los mismos deben estar conectados físicamente a sus dispositivos de lectura. 

Además, el sistema basado en nanotubos de carbono podría medir la tensión estructural en cualquier lugar y en todo tipo de dirección. El descubrimiento es el resultado de un largo proceso de trabajo con los nanotubos de carbono y la exploración de sus propiedades por parte de un equipo conducido por Bruce Weisman, profesor en Rice University.

Los nanotubos de carbono que conforman la pintura son alrededor de 50.000 veces más delgados que un cabello humano, y aunque se ubican en la superficie de las estructuras pueden dar una imagen clara de lo que está pasando por debajo, descubriendo fisuras, tensiones excesivas y cualquier otra anomalía que pueda constituir un peligro.

Las ventajas son evidentes con respecto a otros sistemas. En el caso de los aviones, por ejemplo, los técnicos están acostumbrados a trabajar con detectores convencionales de tensión, que deben ubicarse en lugares específicos en las alas, las cuales se someten a pruebas de vibración para evaluar su comportamiento. 

Estos trabajos solamente pueden realizarse en tierra, y permiten únicamente la medición de partes de las alas, en direcciones y lugares específicos donde los medidores de tensión están conectados. Con la nueva técnica, que no requiere contacto físico con ningún dispositivo, es posible leer los datos aportados por la pintura en cualquier parte de las alas o de la estructura, sin limitaciones en cuanto a la dirección.

Asimismo, la pintura puede ser diseñada con propiedades multifuncionales y para aplicaciones específicas. En consecuencia, también puede tener otros beneficios además de la detección de tensiones estructurales, como por ejemplo funcionar a modo de una película protectora que impida la corrosión o para aumentar la resistencia del material subyacente.

La ilustración muestra la forma en la cual un espectrómetro infrarrojo podría leer los niveles de tensión en un material recubierto con la pintura de nanotubos de carbono creada en Rice University. Imagen: Bruce Weisman/Rice University.

Desafíos a superar 

Sin embargo, Weisman aclaró que se requerirá un mayor desarrollo de la pintura antes que el producto pueda salir al mercado. Resulta imprescindible optimizar los detalles de composición y preparación, y encontrar la mejor manera de aplicar la pintura a las superficies que serán monitoreadas. 

Los problemas de fabricación y de ingeniería deben ser solucionados para asegurar un correcto funcionamiento de la pintura, incluso antes de empezar a trabajar con los instrumentos portátiles de lectura, que también deberán ser optimizados. No pueden obviarse tampoco determinadas cuestiones relativas a la relación entre el mundo nanométrico y las estructuras a escala macro que deben medirse. 

Es así que las interacciones entre los nanotubos de carbono y los materiales sobre los que se aplica la pintura deben ser estudiadas, para analizar las implicancias de los cambios que podrían producirse a largo plazo. Como se está hablando de medidas en el mundo real, estas consideraciones son realmente importantes. 

Sin embargo, el equipo de ingenieros e investigadores cree que ninguno de estos problemas es insuperable, como así tampoco sería un inconveniente grave el desarrollo a escala comercial de los espectrómetros infrarrojos portátiles necesarios para la lectura de los datos, ya que se emplearían tecnologías que se encuentran disponibles en la actualidad.

FUENTE: www.tendencias21.net

Nuevos materiales inteligentes reducen las vibraciones y extraen energía

Se trata de elastómeros con actividad eléctrica, que pueden tener múltiples aplicaciones

Ingenieros del Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (LBF), en Alemania, han logrado avanzar en el desarrollo de materiales inteligentes que pueden disminuir las vibraciones y extraer energía del medio ambiente. Los nuevos elastómeros son capaces de amortiguar las vibraciones molestas en un coche, por ejemplo, o de suministrar energía en forma inalámbrica para sensores que deben trabajar en lugares inaccesibles. Por Pablo Javier Piacente.

Los elastómeros proactivos resultan mucho más eficaces en el control de las vibraciones y pueden producir energía. Imagen: Fraunhofer-Gesellschaft.
En reiteradas ocasiones, las vibraciones pueden condicionar de forma negativa diferentes procesos o sistemas, y en esos casos la presencia de materiales que puedan eliminarlas o reducirlas resulta muy útil. Si, además, estos dispositivos pueden capturar energía de las vibraciones, la solución resulta aún mucho más efectiva.

Es el caso de un nuevo desarrollo de ingenieros del Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (LBF), de Alemania,, que promete tener un fuerte impacto en el campo del diseño automotor o de los sensores utilizados en áreas de difícil acceso, entre otras aplicaciones.

Un problema cotidiano, como andar en bicicleta en una calle cubierta con adoquines, nos pone frente a la necesidad de contar con materiales capaces de amortiguar y contrarrestar las molestas vibraciones y golpes. Algo similar sucede al conducir un automóvil en terrenos muy irregulares.

Muchas motos, bicicletas o automóviles incluyen en sus asientos repletos de silicona estos elastómeros, materiales elásticos y maleables que pueden hacer frente a las vibraciones. Sin embargo, los ingenieros del LBF en Darmstadt, Alemania están decididos a ir un poco más allá, trabajando en una próxima generación de elastómeros.

Estos nuevos materiales inteligentes son capaces de responder activamente a las vibraciones no deseadas, amortiguándolas de una manera mucho más eficaz e incluso obteniendo energía de las mismas.

Los resultados de esta investigación han sido difundidos a través de una nota de prensa de Fraunhofer-Gesellschaft, y además se desarrollaron en un artículo publicado en el medio especializado Phys.org.


Los elastómeros han sido utilizados en el campo de la ingeniería durante décadas, por ejemplo en los cojinetes para motores de vehículos. Hasta ahora, han tenido un efecto puramente pasivo con relación a las vibraciones o el impacto en choques. Serían mucho más eficaces si fueran capaces de responder de manera proactiva y contrarrestar las vibraciones. 

De la misma manera que un jugador de tenis ralentiza la pelota tirando hacia atrás la raqueta en el golpe denominado drop shot, un elastómero activo puede extraer la energía de la vibración de forma selectiva ante los movimientos de balanceo. Teóricamente, esto haría que la vibración se disipe totalmente.

Según explica William Kaal, uno de los especialistas del LBF que participaron de la investigación, ya existen materiales que son adecuados para este propósito. Se los denomina elastómeros electroactivos, y son sustancias elásticas que cambian de forma cuando se exponen a un campo eléctrico.

El secreto es aplicar una corriente alterna para que el material comience a vibrar. Si existen dispositivos electrónicos inteligentes capaces de controlar a los elastómeros, haciéndolos vibrar precisamente ante determinadas circunstancias, entonces las vibraciones no deseadas en un equipo, superficie o motor se disiparán en su mayor parte.

Un modelo con aplicaciones concretas 

Para demostrar que este principio funciona, los ingenieros e investigadores de Fraunhofer-Gesellschaft han creado un modelo. Más pequeño que un paquete de cigarrillos, se compone de 40 capas ultradelgadas de material elastómero, en el marco de un campo eléctrico que lo estimula.

El reto fue el diseño de los electrodos que componen el campo eléctrico que actúa junto a las capas de elastómero, ya que habitualmente los electrodos están confeccionados con metal. Sin embargo, la rigidez de los metales impediría la deformación del elastómero. Los expertos hallaron una solución ingeniosa para este problema, que consistió en la apertura de agujeros de tamaño microscópico en los electrodos.

De esta forma, cuando el voltaje eléctrico deforma al elastómero el mismo logra dispersarse y se expande a través de los diminutos orificios. El enfoque ha demostrado ser muy eficaz en términos generales en las pruebas realizadas, y una de las aplicaciones imaginadas por los ingenieros de LBF tiene que ver con la construcción de vehículos.

Como las vibraciones del motor pueden ser muy perjudiciales, siendo canalizadas a través del chasis en el interior del coche, los nuevos elastómeros activos pueden ayudar a reducir estas vibraciones en los automóviles. Además, los dispositivos también pueden absorber las vibraciones de su entorno para producir energía, por lo que podrían facilitar la alimentación energética independiente de los sensores que necesitan trabajar en sitios de difícil acceso, como por ejemplo aquellos que monitorean los puentes en forma permanente.

FUENTE: www,tendencias21.net

Crean plásticos biodegradables con la durabilidad y resistencia de los metales

Son una excelente alternativa, y presentan la ventaja de no generar contaminación

Un trabajo desarrollado en la Universidad de Tel Aviv ha dado lugar a la creación de una nueva tipología de plásticos biodegradables, que serían capaces de sustituir al acero y otros materiales empleados en productos de uso diario, con la ventaja de no generar contaminación. Esto podría tener un gran impacto a largo plazo en muchas industrias, incluyendo la fabricación de automóviles, ya que las piezas metálicas empleadas en los rodados podrían reemplazarse por piezas de plástico. Por Pablo Javier Piacente.

Los plásticos biodegradables podrían revolucionar la industria, al alcanzar condiciones similares a los metales y reunir importantes ventajas ecológicas.
Nuevos plásticos biodegradables alcanzarían similares condiciones a las que presentan los metales en términos de resistencia y durabilidad, con el importante beneficio de ser amigables con el medio ambiente. Estos plásticos, con amplia aplicación en distintos sectores de la industria, han sido desarrollados por un investigador de la Escuela de Química de la Universidad de Tel Aviv.

Ante el desbordamiento de los vertederos frente a la gran cantidad de plásticos desechados, ingenieros y científicos han estado trabajando para producir una alternativa biodegradable que reduzca la contaminación. Ahora, el profesor Moshe Kol de la Universidad de Tel Aviv parece haber hallado una dimensión completamente nueva en el campo de los plásticos amigables con el medio ambiente.

Kol está desarrollando una nueva clase de polipropileno ecológico, uno de los plásticos más utilizados en el mundo, que tiene el potencial para sustituir al acero y otros materiales utilizados en productos de uso masivo. Además, este tipo de plásticos consumen menos energía durante el proceso de producción.

Al mismo tiempo, tendrían múltiples beneficios adicionales. Por ejemplo, las piezas de polipropileno para coches reemplazarían a las tradicionales de acero, logrando que los automóviles sean más livianos y consuman menos combustible. Por otro lado, como el material es económico, el plástico ecológico podría ofrecer una alternativa de fabricación mucho más accesible y sostenible.

La investigación ha sido publicada en la revista especializada Angewandte Chemie, en un artículo titulado “Salalen Titanium Complexes in the Highly Isospecific Polymerization of 1-Hexene and Propylene”, y además se ha difundido mediante una nota de prensa de la American Friends of Tel Aviv University.

Aunque se trata de un prometedor campo de investigación, los plásticos biodegradables aún no han sido capaces de imitar la durabilidad y la resistencia de los plásticos comunes, como por ejemplo el polipropileno. Kol cree que la respuesta podría estar en los catalizadores, claves en el proceso de producción.

Los plásticos se estructuran en cadenas químicas muy largas llamadas polímeros, que se presentan en bloques. Los catalizadores son responsables de conectar estos bloques y de crear cadenas de polímeros. Si se optimiza la calidad del catalizador, estas cadenas estarán más ordenadas y bien definidas.

Como consecuencia, se logrará un plástico con un punto de fusión más alto y una mayor resistencia y durabilidad. Por ello, el catalizador es una parte crucial del proceso de producción del plástico. Kol y su equipo han logrado desarrollar un nuevo catalizador para el proceso de producción de polipropileno, mucho más eficiente que los empleados actualmente.

Amplias e importantes aplicaciones 

Según los especialistas de la Universidad de Tel Aviv, se ha logrado producir la versión más potente de este tipo de plástico que se ha creado hasta la fecha, gracias al uso del nuevo catalizador. De esta forma, se abriría un nuevo campo para la producción de polipropileno no tóxico, más económico y eficiente en términos de consumo de energía.

Se estima que, en 2020, el consumo de plásticos a nivel mundial alcanzará los 200 millones de toneladas al año. Como los plásticos tradicionales son contaminantes, resulta urgente desarrollar nuevas opciones en torno a este material, que se ha convertido en un elemento básico de la vida cotidiana, implicando la menor cantidad de daños al medio ambiente.

El polipropileno producido por Kol y su equipo es sin dudas una buena noticia para los impulsores de nuevos procesos de fabricación sostenible, y podría realmente revolucionar la industria. Su aplicación desembocaría en productos de mayor durabilidad y con la necesidad de un menor mantenimiento.

Además de las piezas de automóviles, Kol prevé que uno de los usos más importantes de los nuevos plásticos ecológicos serán las tuberías de agua, ya que permitirían el desarrollo de un sistema más económico y respetuoso del medio ambiente con respecto a las tradicionales tuberías de acero empleadas en los hogares.

Fuente: www.tendencias21.net

Pavimentos de carretera más rígidos reducen el consumo de combustible

Un estudio del MIT demuestra que con ellos se ahorraría un 3% en gasolina

Un nuevo estudio basado en modelos matemáticos, realizado por un grupo de ingenieros civiles del Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Estados Unidos, ha demostrado que el uso de pavimentos más rígidos en las carreteras norteamericanas podría reducir el consumo de combustible hasta en un 3%. Los ahorros serían equivalentes a 273 millones de barriles de petróleo al año, únicamente considerando a Estados Unidos. Por Pablo Javier Piacente.

Las desviaciones y otras imperfecciones presentes en las carreteras desembocan en un importante gasto extra de combustible. Imagen: Mehdi Akbarian - Creative Commons.

La utilización de pavimentos más rígidos en las carreteras de Estados Unidos permitiría una disminución en el consumo de combustible de los vehículos de alrededor del 3%, según un estudio desarrollado por ingenieros civiles del MIT. La reducción en el consumo se traduciría en una cifra de 15,6 mil millones de dólares (12,4 mil millones de euros), de acuerdo a los precios actuales del petróleo. 

El estudio es el primero en utilizar modelos matemáticos en lugar de experimentos viales para observar el efecto de la desviación del pavimento en el consumo de combustible de los vehículos en las carreteras estadounidenses. En cuanto a emisiones de CO2, la investigación concluye que la reducción podría llegar a los 46,5 millones de toneladas métricas. 

Los resultados y detalles del estudio se han difundido a través de una nota de prensa del MIT, y también mediante un artículo publicado en el medio especializado Science Daily. Asimismo, un artículo sobre este tema ya ha sido aceptado para su publicación a finales de este año en la revista especializada Transportation Research Record. 

El trabajo fue liderado por los especialistas del MIT Franz-Josef Ulm y Mehdi Akbarian, y concluye que cuando un neumático se desplaza sobre el pavimento y sufre desviaciones debido a distintas imperfecciones, la energía se disipa y el vehículo debe efectuar un mayor esfuerzo para avanzar, generando un aumento en el consumo de combustible.

La desviación en los neumáticos puede compararse con el efecto que se produce al caminar sobre la arena en la playa. Con cada paso, los pies se hunden en la arena y requieren que el peatón gaste más energía que cuando se camina sobre una superficie dura. 

En las carreteras, hasta un aumento del 1% en el consumo de combustible deja una huella ambiental importante. 

Pavimentos más rígidos, que pueden ser obtenidos mediante la optimización de las propiedades del material o el aumento del espesor de las capas de asfalto, lograrían disminuir las desviaciones y reducir la huella ambiental, traduciéndose además en un importante ahorro de dinero y en cuanto a recursos energéticos. 

Considerando que resulta imposible hallar tramos de carreteras con idénticas condiciones que permitan generalizar el impacto del pavimento sobre el consumo de combustible mediante pruebas empíricas y experimentos viales, los ingenieros civiles del MIT emplearon modelos matemáticos y análisis estadísticos para obtener una mayor precisión en los datos obtenidos. 

El nuevo estudio define los parámetros básicos que influyen en el análisis del pavimento, como el grosor y la rigidez, a partir de datos provenientes de 5.643 secciones representativas de las carreteras norteamericanas, originados por la Federal Highway Administration (Administración Federal de Carreteras).

Un nuevo enfoque 

La información también incluye detalles sobre los materiales utilizados en los pavimentos, además de la cantidad, tipo y peso de los vehículos que usan las carreteras. Los investigadores han calculado y estudiado asimismo las características del área de contacto de los neumáticos del vehículo con el pavimento. 

Según Ulm y Akbarian, los efectos de las imperfecciones en el pavimento de las carreteras son responsables de un consumo extra promedio de combustible de alrededor de 7.000 a 9.000 galones por milla a nivel anual. De esta forma, este exceso en el consumo de combustible podría reducirse a través de distintas mejoras en las propiedades básicas del asfalto, del concreto y de otros materiales utilizados para construir las carreteras. 

Los expertos creen que se está malgastando el combustible, ya que el diseño del pavimento se ha basado únicamente en la minimización de los costes iniciales más que en el rendimiento de las carreteras. Tampoco se consideró en su momento el impacto ambiental de los pavimentos sobre la base de las variaciones en las condiciones externas. 

En resumen, los ingenieros civiles del MIT concluyeron que ahora es posible incluir los impactos ambientales, optimizar el comportamiento del pavimento y, finalmente, desarrollar un modelo de costes para mejorar el diseño del pavimento de la forma más económica posible, reduciendo el impacto ambiental y obteniendo un mejor desempeño estructural, lo cual significará una disminución en el consumo de combustible.

Fuente: www.tendencias21.net 

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Fabrican elementos de construcción directamente desde los diseños digitales

El proceso automatiza la conversión de los diseños CAD en productos manufacturados, haciendo más rápido y económico el proceso

Un grupo de especialistas del Georgia Tech, en Estados Unidos, ha desarrollado una nueva técnica que permite la producción masiva de componentes personalizados de hormigón para la construcción, a partir de las producciones digitales creadas mediante diseño asistido por ordenador (CAD). La metodología cuenta con importantes ventajas, entre ellas el abaratamiento del proceso y su mayor rapidez. Por Pablo Javier Piacente.

El profesor Tristan Al-Haddad y su equipo evalúan las estructuras personalizadas fabricadas con el nuevo proceso. Imagen: Gary Meek. Fuente: Georgia Tech.
Los diseños digitales en el área de la arquitectura y la construcción podrán ahora ser trasladados al mundo real de una manera mucho más rápida y económica, gracias a una nueva técnica elaborada por un grupo de investigadores del Georgia Tech de Estados Unidos. La metodología se centra en la producción masiva de elementos de hormigón a partir de los diseños computarizados.

Los investigadores del Colegio de Arquitectura de Georgia Tech están ayudando con este desarrollo a automatizar el proceso que permite convertir los diseños CAD en productos manufacturados. Al igual que otros profesionales, los arquitectos han utilizado diseño asistido por ordenador en su trabajo durante décadas.

Normalmente, los archivos digitales resultantes se convierten en impresiones orientadas a la planificación, que luego se utilizan para apoyar las prácticas de construcción tradicionales. Sin embargo, los especialistas del Georgia Tech han logrado desarrollar técnicas que permiten fabricar elementos de construcción directamente a partir de dichos diseños.

La nueva metodología permite que los componentes individuales del hormigón se fabriquen con rapidez y a bajo costo. Según el profesor Tristan Al-Haddad, líder de la investigación, “se están desarrollando los protocolos necesarios para la fabricación de productos de alta calidad arquitectónica a medida, de forma económica, segura y con responsabilidad ambiental".


Los resultados del trabajo se han difundido mediante una nota de prensa del Georgia Tech, que también desarrolla otras innovaciones relacionadas, y además el tema ha merecido la publicación de un artículo en el medio especializado Phys.org. Al-Haddad agregó que “este trabajo ofrece oportunidades para elevar la creatividad arquitectónica a un nuevo nivel, con un importante aumento en términos de eficacia ".

En un reciente proyecto, Al-Haddad y su equipo han colaborado con Lafarge North America para la fabricación de un premiado edificio conceptual denominado "Liquid Wall" (muro líquido). El equipo de Georgia Tech ha empleado técnicas digitales para ayudar a construir un muro prototipo, siendo destacado por el American Institute of Architects (AIANY) en una exposición especializada.

En otro proyecto patrocinado por Lafarge North America, Al-Haddad y su equipo de especialistas y alumnos del Colegio de Arquitectura de Georgia Tech está desarrollando una estructura confeccionada en su totalidad por elementos de hormigón de alto desempeño, fabricados directamente desde los diseños digitales.

Además de la nueva tecnología, las construcciones son concebidas como un sistema completo, incluyendo mecanismos integrados de persianas, protección solar, colectores solares y otras características avanzadas. En resumen, se trata de un nuevo enfoque orientado a métodos constructivos más eficientes, tanto desde el punto de vista económico como ambiental.

Rapidez y precisión

En el caso del “muro líquido”, los investigadores perfeccionaron la geometría de los dibujos originales y desarrollaron las técnicas necesarias para la fabricación de un muro cortina de tamaño completo. Con el auxilio de un router CNC de cinco ejes, un dispositivo capaz de mecanizar material directamente desde un diseño digital, el equipo de Georgia Tech elaboró un modelo a escala real de la pared.

El modelo fue creado a partir de un material de polímero de escaso peso, concretamente poliestireno expandido (EPS). Al mismo tiempo, se incorporó un recubrimiento de poliurea. El proceso involucró la producción de negativos de goma con forma de pared, en el marco de diseños creados con el CAD y un software de modelado paramétrico.

También se requirió la identificación de los procedimientos de producción adecuados y la búsqueda de formas efectivas para la instalación de una pared completa de un edificio a tamaño real. A futuro, se espera construir con la misma técnica y materiales una estructura de alrededor de 20 metros cuadrados de superficie y 15 pies de alto.

Los investigadores concluyeron que el perfeccionamiento de la técnica permitirá promover el uso de modelos paramétricos digitales integrados con sistemas de moldeo a medida, creando una metodología de fabricación de forma libre que puede producir muchas variaciones con gran rapidez y precisión.

Fuente: www.tendencias21.net

DEMÓTICA, LA CASA INFORMATIZADA

NUEVA ALEACIÓN PERMITE GENERAR HUDROGENO CON ENERGÍA SOLAR

Podría transformarse en un fuerte dinamizador de las energías renovables

Ingenieros y científicos de la Universidad de Kentucky y la Universidad de Louisville, ambas en Estados Unidos, han diseñado una aleación que hace posible producir hidrógeno a partir de la energía solar. La aleación se sumerge en agua y, al exponerse a la luz solar, logra que el enlace químico entre las moléculas de hidrógeno y oxígeno presentes en el agua se elimine, facilitando la obtención del hidrógeno y su empleo como combustible. Por Pablo Javier Piacente.

  

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La energía solar permitirá la producción económica y ecológica de hidrógeno, gracias a una nueva aleación. Foto: Michiel De Boer. Fuente: iStockphoto.

El desarrollo de una nueva aleación, que consiste en la sustitución de un dos por ciento de antimonio (Sb) en el nitruro de galio (GaN), podría convertirse en un importante avance en el terreno de la energía solar, porque permite la obtención de hidrógeno a partir de dicha energía.

El proceso sería el siguiente: cuando la energía solar incide sobre esta nueva aleación, se separan las moléculas de hidrógeno y oxígeno presentes en el agua. Este avance ha sido realizado por ingenieros e investigadores de la Universidad de Kentucky y laUniversidad de Louisville.

La investigación ha sido financiada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, y ha contado con la dirección de los profesores Madhu Menon y R. Michael Sheetz, del Centro de Ciencias de la Computación de la Universidad de Kentucky, y del profesor Mahendra Sunkara y el estudiante graduado Chandrashekhar Pendyala, integrantes del Conn Center for Renewable Energy Research de la Universidad de Louisville.

El hallazgo ha sido descrito en un artículo recientemente publicado en el medio especializado Physical Review Journal, y también ha sido difundido a través de artículos publicados en otros medios, comoScience Daily y EurekAlert!. Los resultados de la investigación podrían tener un profundo impacto en el futuro de la energía solar.

Aunque todavía basada principalmente en cálculos teóricos, los especialistas de la Universidad de Kentucky y la Universidad de Louisville han logrado demostrar que una aleación formada por una sustitución de un dos por ciento de antimonio (Sb) en el nitruro de galio (GaN) tiene las propiedades eléctricas necesarias para permitir que la energía de la luz solar pueda dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, un proceso conocido como descomposición fotoelectroquímica del agua.

Enfoque renovador

Cuando la aleación mencionada se sumerge en el agua y se expone a la luz del sol, el enlace químico entre las moléculas de hidrógeno y oxígeno se destruye. De esta forma, el hidrógeno se puede obtener fácilmente para su uso como combustible. Sin embargo, anteriores trabajos también desarrollaron soluciones similares. ¿Cuál es, en consecuencia, la innovación aplicada por los expertos de Kentucky y Louisville?.

Principalmente, el nuevo enfoque de estos especialistas rompe un concepto instaurado en las investigaciones anteriores, que se centraron en la descomposición fotoelectroquímica del agua, ya que estos trabajos previos se enfocaron en el uso de materiales complejos.

Por el contrario, el equipo de Kentucky y Louisville ha tomado un camino alternativo, buscando materiales simples y de bajo coste. El propósito era obtener el efecto deseado aplicando mínimos ajustes en la disposición electrónica de estos materiales semiconductores.

De esta forma, los investigadores utilizaron el nitruro de galio (GaN), un semiconductor que ha sido de uso generalizado para la producción de luminarias LED´s desde la década de 1990. El antimonio (Sb), por su parte, es un metaloide cuya demanda ha aumentado en los últimos años para aplicaciones en microelectrónica.

Económica y ecológica

La aleación GaN-Sb es la primera alternativa sencilla y económica presentada como opción para la división o descomposición fotoelectroquímica del agua. La nueva aleación cumple funciones de catalizador en la reacción, permitiendo su reutilización de forma indefinida.

Actualmente, los investigadores de la Universidad de Louisville y la Universidad de Kentucky están trabajando para concretar la producción de la aleación, con el propósito de evaluar su capacidad en la práctica para convertir la energía solar en hidrógeno. De hacerse efectiva esta producción, podría transformarse en un fuerte dinamizador de las energías renovables.

El hidrógeno es considerado un componente clave en la transición que la industria deberá concretar, tarde o temprano, hacia fuentes renovables y más limpias de energía. Puede ser utilizado en pilas de combustible para generar electricidad, se quema para producir calor y se emplea en motores de combustión interna de vehículos.

Al quemarse, el hidrógeno se combina con el oxígeno para formar vapor de agua como único residuo. Asimismo, el hidrógeno también tiene amplias aplicaciones en la ciencia y la industria más allá de su valor energético, pero en la actualidad la mayor parte del hidrógeno se deriva de fuentes no renovables como el carbón y el gas natural, necesarias para generar la energía eléctrica que permita el fraccionamiento de agua.

Como consecuencia, la producción de hidrógeno involucra actualmente una gran cantidad de emisiones de CO2. Como contrapartida, la aleación GaN-Sb tiene el potencial de convertir la energía solar en un sistema económico, aportando una fuente libre de carbono para la producción de hidrógeno.

Fuente www.tendencias21.net

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Crean unos cristales fotónicos 3D con propiedades electrónicas y ópticas

Podrán aplicarse en células solares, rayos láser y metamateriales para mejorar su eficiencia energética

Un grupo de ingenieros e investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos, ha logrado diseñar un innovador método que permite desarrollar cristales fotónicos 3D con numerosas propiedades electrónicas y ópticas. Estos cristales tendrán aplicaciones en una amplia gama de sectores, como el de la energía solar, la tecnología láser o los metamateriales. Por Pablo Javier Piacente.

  

Utilizando un enfoque epitaxial, ingenieros e investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un cristal fotónico 3D de características optoelectrónicas. Imagen: Erik Nelson.

Unos innovadores cristales fotónicos 3D, capaces de incorporar propiedades ópticas manteniendo al mismo tiempo activas sus propiedades electrónicas, han sido desarrollados en el marco de una investigación llevada a cabo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en Estados Unidos. El universo de aplicaciones de este adelanto incluye las células solares, los rayos láser y los metamateriales. 

El hallazgo consiste básicamente en una manera efectiva de cambiar la estructura tridimensional de un material semiconductor, para permitir el desarrollo de nuevas propiedades ópticas, conservando al mismo tiempo las propiedades eléctricas. El descubrimiento fue difundido a través de artículos publicados ayer en los medios especializados Science Daily y EurekAlert. 

Además, la investigación ha sido resumida en un artículo publicado también ayer en la edición online de la revista especializada Nature Materials. El profesor de ciencias de los materiales, ingeniería y química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Paul Braun, dirigió al grupo de investigación que ha realizado este avance. 

Problemas resueltos 

Los cristales fotónicos son materiales que pueden controlar o manipular a la luz de manera inusual, gracias a su especial estructura física. Por ejemplo, estos cristales son capaces de inducir fenómenos inusitados y afectar el comportamiento de los fotones de una forma que los materiales y dispositivos ópticos tradicionales no pueden.

Cabe recordar que se trata de materiales habitualmente empleados para el desarrollo y la investigación en áreas como las aplicaciones de láser, la energía solar, las tecnologías LED, los metamateriales y otras especialidades. Sin embargo, los intentos anteriores en este campo se habían topado hasta ahora con un importante impedimento. 

El desarrollo de cristales fotónicos 3D ha dado lugar, hasta el momento, a dispositivos que sólo son ópticamente activos, o sea que pueden dirigir la luz pero no se encuentran activos desde el punto de vista electrónico y, por lo tanto, no pueden convertir la electricidad en luz o viceversa. 

El nuevo enfoque de los especialistas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign permitirá la fabricación de cristales fotónicos con un gran potencial para optimizar las propiedades electrónicas y ópticas de forma simultánea. Estos dispositivos podrán controlar la manera en que se emite, se absorbe o se propaga la luz, sin perder su potencial eléctrico. 

Para crear un cristal fotónico 3-D que mantenga activas sus propiedades electrónicas y ópticas al unísono, los investigadores comenzaron trabajando con diminutas esferas empaquetadas, empleando también arseniuro de galio (GaAs) como semiconductor. El GaAs es utilizado en la actualidad en la industria como semiconductor en el proceso de creación de cristales de dos dimensiones.

El proceso obtenido supera gran parte de los problemas surgidos con los métodos de fabricación tradicionales de esta clase de dispositivos. Imagen: Erik Nelson.

Un enfoque renovador 

Sin embargo, el arseniuro de galio ha logrado ser aplicado en este caso en complejas estructuras tridimensionales, a través de un enfoque epitaxial que elimina muchos de los defectos introducidos por los métodos de fabricación tradicionales, abriendo un auspicioso camino para la creación masiva de estructuras fotónicas 3-D. 

Otra ventaja de este novedoso sistema es la facilidad para crear heteroestructuras en los cristales, a través de distintas capas. Con súbitos cambios podría ser factible variar los materiales introducidos en el cristal fotónico, permitiendo así nuevas aplicaciones y usos para estos dispositivos. 

Para poner a prueba su técnica, el grupo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign construyó un cristal fotónico LED en 3D, el primer dispositivo de este tipo destinado a esta clase de aplicaciones. Ahora, los ingenieros e investigadores trabajan para optimizar la estructura pensando en aplicaciones específicas. 

El cristal fotónico LED está demostrando que este avance puede propiciar el desarrollo de dispositivos funcionales, que al ajustar la estructura o el uso de otros materiales semiconductores podrían permitir a los investigadores optimizar la recolección de energía solar o alcanzar longitudes de onda específicas para aplicaciones como metamateriales o láseres de bajo umbral. 

A partir de ahora, el propósito es cambiar la geometría del dispositivo para obtener las propiedades deseadas en cada caso. En realidad, se abre una nueva área de investigación en el terreno de este tipo de dispositivos con propiedades ópticas y electrónicas y aplicaciones destinadas a mejorar la eficiencia energética.

Fuente: www.tendencias21.net