El material a nanoescala ofrece una nueva forma de controlar el fuego

Las llamas de alta temperatura se utilizan para crear una amplia variedad de materiales, pero una vez que se inicia un incendio, puede resultar difícil controlar cómo interactúa la llama con el material que se intenta procesar. Los investigadores ahora han desarrollado una técnica que utiliza una capa protectora delgada como una molécula para controlar cómo el calor de la llama interactúa con el material, controlando el fuego y permitiendo a los usuarios ajustar con precisión las características del material procesado.

"El fuego es una valiosa herramienta de ingeniería; después de todo, un alto horno es sólo un incendio intenso", dice Martin Thuo, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Sin embargo, una vez que se inicia un incendio, a menudo se tiene poco control sobre cómo se comporta.

“Nuestra técnica, que llamamos degradación térmica inversa (ITD), emplea una película delgada a nanoescala sobre un material específico. La fina película cambia en respuesta al calor del fuego y regula la cantidad de oxígeno que puede acceder al material. Eso significa que podemos controlar la velocidad a la que se calienta el material, lo que, a su vez, influye en las reacciones químicas que tienen lugar dentro del material. Básicamente, podemos ajustar cómo y dónde el fuego cambia el material”.

Así es como funciona ITD. Comienza con el material objetivo, como una fibra de celulosa. Luego, esa fibra se recubre con una capa de moléculas de un espesor nanométrico. A continuación, las fibras recubiertas se exponen a una llama intensa. La superficie exterior de las moléculas se quema fácilmente, elevando la temperatura en las inmediaciones. Pero la superficie interna del recubrimiento molecular cambia químicamente, creando una capa de vidrio aún más delgada alrededor de las fibras de celulosa. Este vidrio limita la cantidad de oxígeno que puede acceder a las fibras, evitando que la celulosa estalle en llamas. En cambio, las fibras arden lentamente, de adentro hacia afuera.

"Sin la capa protectora del ITD, aplicar llama a las fibras de celulosa sólo produciría cenizas", dice Thuo. “Con la capa protectora del ITD, el resultado son tubos de carbono.

“Podemos diseñar la capa protectora para ajustar la cantidad de oxígeno que llega al material objetivo. Y podemos diseñar el material objetivo para producir características deseables”.

Los investigadores realizaron demostraciones de prueba de concepto con fibras de celulosa para producir tubos de carbono a microescala.

Los investigadores pudieron controlar el grosor de las paredes del tubo de carbono controlando el tamaño de las fibras de celulosa con las que empezaron; introduciendo varias sales en las fibras (lo que controla aún más la velocidad de combustión); y variando la cantidad de oxígeno que pasa a través de la capa protectora.

"Ya tenemos varias aplicaciones en mente, que abordaremos en futuros estudios", afirma Thuo. "También estamos abiertos a trabajar con el sector privado para explorar diversos usos prácticos, como el desarrollo de tubos de carbono diseñados para la separación de agua y petróleo, que serían útiles tanto para aplicaciones industriales como para la remediación ambiental".

El artículo, “Pirólisis dirigida espacialmente mediante aductos de superficie que se transforman térmicamente”, se publica en la revista Angewandte Chemie. Los coautores son Dhanush Jamadgni y Alana Pauls, Ph.D. estudiantes de NC State; Julia Chang y Andrew Martin, investigadores postdoctorales de NC State; Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn y Aaron Rossini de la Universidad Estatal de Iowa; y E. Johan Foster de la Universidad de Columbia Británica.

-barquero-

Nota para los editores:A continuación se presenta el resumen del estudio.

“Pirólisis dirigida espacialmente mediante aductos superficiales que se transforman térmicamente”

Autores: Chuanshen Du y Paul Gregory, Universidad Estatal de Iowa; Dhanush U. Jamadgni, Alana M. Pauls, Julia J. Chang, Andrew Martin y Martin Thuo, Universidad Estatal de Carolina del Norte y Universidad Estatal de Iowa; Rick W. Dorn y Aaron J. Rossini, de la Universidad Estatal de Iowa y del Departamento de Energía de Estados Unidos; E. Johan Foster, Universidad de Columbia Británica

Publicado: 19 de julio de 2023, Química Aplicada

DOI: 10.1002/anie.202308822

Abstracto: A menudo es difícil dirigir espacialmente la combustión o ajustar la cinética asociada, de ahí que se produzca una reacción descontrolada. Sin embargo, al acoplar la transformación química pirolítica al transporte de masa y las velocidades de reacción (número de Damköhler), dirigimos espacialmente la ignición con un cambio concomitante de combustión a pirólisis (bajo nivel de oxidante). Esto establece un orden de ignición "superficie-luego-núcleo" con un cambio concomitante en la velocidad de combustión. En este caso, los alquilsilanos injertados en fibras de celulosa se pirolizan en SiO2 no inflamable, lo que pone fin a la propagación de la ignición en la superficie y, por lo tanto, detiene la propagación de la llama. Sin embargo, mantener altas temperaturas desencadena la ignición en la mayor parte de las fibras, pero bajo un flujo de gas restringido (oxidante y/o desecho), por lo que la tasa de propagación de la ignición y pirólisis es significativamente baja en comparación con la llama abierta (ecuación de Liñán). Esto conduce a una degradación térmica de adentro hacia afuera y, si se eligen las condiciones adecuadas, a la formación de tubos de grafito. Dada la dependencia de la temperatura, embeber las fibras con un sintetizador exotérmicamente oxidante (MnCl2) o un disipador de calor (KCl) favorece o inhibe la pirólisis, lo que conduce a un espesor de pared ajustable. Aplicamos este enfoque para crear fibras de carbono magnéticas, paramagnéticas o que contienen óxido. Dada la sensibilidad de la superficie, ilustramos la fabricación de tubos de nm y μm de diámetro a partir de fibras del tamaño adecuado.