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Investigadores españoles han demostrado un proceso de fabricación escalable para fibras de nanotubos de carbono (CNTs) con una conductividad eléctrica comparable a la del cobre y el aluminio.
El resultado, publicado en Science, supone un avance significativo para el futuro de la electrificación en sectores como la aeronáutica, los vehículos eléctricos (EVs), los drones y otras aplicaciones que requieren cableado eléctrico ligero y de alta resistencia.
Los CNT han sido considerados durante mucho tiempo como bloques de construcción ideales para conductores eléctricos, debido a su combinación única de baja densidad y excelentes propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas.
Sin embargo, hasta ahora no habían alcanzado los niveles de conductividad eléctrica necesarios para constituir una alternativa real a escala industrial frente a materiales tradicionales, en particular el cobre.
“Esta es la primera vez que se obtienen resultados con fibras de CNT que demuestran un rendimiento suficiente en este sentido como para ofrecer una alternativa industrial real a los materiales conductores tradicionales”, afirmó el investigador principal de IMDEA Materiales, Dr. Juan José Vilatela, uno de los autores de la reciente publicación.
En concreto, los investigadores lograron producir fibras de CNT intercaladas en fase gaseosa con una conductividad a temperatura ambiente de hasta 24,5 MS/m (MegaSiemens por metro), casi la mitad que la del cobre, pero con un peso seis veces inferior.
Dada esta importante ventaja en peso, los resultados demuestran conductores eléctricos que combinan no solo una relación peso-rendimiento significativamente mejorada, sino también niveles absolutos de conductividad que cumplen los requisitos industriales.
Uno de los elementos clave del estudio, llevado a cabo por IMDEA Materiales en colaboración con investigadores de la Universidad de Zaragoza en el INMA (CSIC-Unizar), fue la introducción de tetrachloroaluminato (AlCl₄) para intercalar en las fibras de CNT.
El AlCl₄ actúa como dopante que puede introducirse en la estructura de la fibra sin alterarla. Al mantener la estructura original de los haces de CNT, el proceso de dopado aumenta la conductividad sin comprometer sus excepcionales propiedades mecánicas.
“Además, el AlCl₄⁻ proporciona un elevado efecto de dopado sin aumentar excesivamente el peso, en comparación con otros dopantes que hemos estudiado”, explicó Ana Inés de Isidro Gómez, autora principal e investigadora de IMDEA Materiales.
En concreto, los investigadores demostraron que, al dopar fibras de CNT altamente alineadas con AlCl₄, se puede lograr un incremento de más de 17 veces en la conductividad eléctrica del material. Esto dio lugar a una conductividad específica media superior a la del cobre, con valores máximos incluso por encima de los del aluminio.
“Esto es especialmente relevante para la electrificación del transporte, ya sean vehículos eléctricos, drones o aeronaves, que requieren un gran número de conductores con el menor peso posible”, señaló el Dr. Vilatela. “También presenta un gran potencial para cables eléctricos aéreos, cuyo rendimiento suele estar limitado por su propio peso”.
Según los autores del estudio, las fibras de CNT dopadas podrían ser cinco veces más resistentes que los cables aéreos convencionales, con la mitad de su peso.
La investigación fue llevada a cabo por la investigadora predoctoral de IMDEA Materiales Ana Inés de Isidro Gómez, el Dr. Vilatela, la Dra. Anastasiia Mikhalchan y el Prof. Javier LLorca, junto con el exinvestigador de IMDEA Materiales Dr. Valentín Vassilev Galindo.
Este trabajo es fruto de la colaboración con el grupo Nanoscopy on Low Dimensional Materials (NLDM) del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA; centro mixto entre el CSIC y la Universidad de Zaragoza (UNIZAR), dirigido por el Dr. Raúl Arenal (investigador ARAID).
Estos trabajos, desarrollados por el Dr. Mario Peláez Fernández y el propio Dr. Raúl Arenal, se llevaron a cabo en el Laboratorio de Microscopías Avanzadas (LMA; UNIZAR; uno de los nodos de la Infraestructura Científico Técnica Singular (ICTS) ELECMI).
“Hemos demostrado, de forma efectiva, que la intercalación en fase gaseosa puede aumentar sustancialmente la conductividad de fibras comerciales de CNT por encima de sus límites anteriores, ofreciendo tanto valores récord de conductividad eléctrica como la posibilidad de seguir incrementándolos en el futuro”, concluyó de Isidro Gómez.
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