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Los postdocs de MIT CSHub, Nicolas Chanut y Nancy Soliman, sostienen dos de sus muestras de cemento conductor. Crédito: Andrew Logan.

El concreto es un material de construcción tan indispensable que los humanos lo inventaron dos veces, con más de mil años de diferencia. No se puede subestimar el mérito del hormigón para sobrealimentar nuestra infraestructura actual, pero un grupo de investigadores del MIT encontró una manera de darle vida a las cosas.

Normalmente, el hormigón es un aislante eléctrico. Pero los investigadores del MIT lograron que fuera conductivo dopando la mezcla de hormigón con negro de nanocarbono, un material a base de carbono muy barato.

Agregar solo un 4 % de negro de nanocarbono a la mezcla funcionó, según mostraron los experimentos realizados por el equipo dirigido por Nancy Soliman, quien es estudiante de postdoctorado en el MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). El hormigón negro podría resultar útil para una gama de nuevas aplicaciones que tradicionalmente no se han asociado con el hormigón, que van desde el almacenamiento de energía hasta el autocalentamiento.

hormigón electrificado

Una de las contribuciones más importantes de la ciencia de los materiales en los últimos años es la introducción de materiales de nanocarbono, como los fullerenos, el grafeno y los nanotubos de carbono. Las estructuras únicas y las propiedades novedosas del nanocarbono, entre ellas la conductividad, han llamado la atención no solo en términos de su ciencia básica, sino también debido a sus aplicaciones potenciales en muchos campos, por ejemplo, electrónica, dispositivos de energía, nanocompuestos e ingeniería biomédica.

Pero mientras que el grafeno y los nanotubos de carbono ganan muchos elogios por sus increíbles propiedades, también son caros de fabricar, al menos por el momento. En cambio, Soliman y sus colegas recurrieron al negro de nanocarbono o nanopolvo, una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente que ya se está utilizando en plásticos, revestimientos, tintas, fertilizantes para suelos y productos electrónicos.

Una pizca de negro de nanocarbono fue suficiente para formar una red de nanopartículas dentro del concreto que permitió el funcionamiento del circuito. En otras palabras, el ingrediente agregado hizo que el concreto fuera eléctricamente conductor. Y debido a un fenómeno físico conocido como efecto Joule, este hormigón también puede generar calor.

El calentamiento Joule (o calentamiento resistivo) es causado por interacciones entre los electrones en movimiento y los átomos en el conductor, explica Nicolas Chanut, coautor del artículo y postdoctorado en MIT CSHub. 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 aumento de temperatura en el material.

Pasar un concreto a través del concreto negro hace que genere calor. Crédito: Andrew Logan.

Durante un experimento, los investigadores aplicaron un pequeño voltaje (5 voltios) a una muestra de hormigón de nanocarbono con un volumen de 5 cm 3 . Esta demostración mostró que el voltaje calentó el concreto hasta 41 grados Celsius (alrededor de 100 grados Fahrenheit).

En lugar de emplear calentadores a base de agua, algunos edificios residenciales y comerciales podrían utilizar una forma de calefacción radiante basada en hormigón eléctricamente conductor. Según los investigadores, usar el piso de concreto como radiador central sería más económico de instalar y más confiable que la calefacción convencional que requiere la instalación de tuberías y sistemas de calentamiento de agua.

Los investigadores del MIT también prevén posibles aplicaciones de calefacción al aire libre. Durante más de cien años, las carreteras y las aceras se han limpiado de nieve con soluciones salinas dispensadas por camiones pesados. Estos son costosos de operar y la sal puede destruir los pavimentos de concreto con el tiempo.

En América del Norte, vemos mucha nieve. Para quitar esta nieve de nuestras carreteras se requiere el uso de sales descongelantes, que pueden dañar el concreto y contaminar las aguas subterráneas, dijo Soliman.

El hormigón de nanocarbono conectado a una fuente de alimentación podría descongelarse sin el uso de sal para carreteras. Esta podría ser una solución particularmente atractiva en aquellas situaciones donde las condiciones de navegación excepcionales son primordiales, como las pistas de los aeropuertos.

Los hallazgos aparecieron en la revista Physical Review Materials .

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