Investigadores agregan propiedades eléctricas al cemento con nanocarbono negro

Un estudio realizado entre el Centro de Sostenibilidad del Hormigón del MIT y el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia concluyó que, al añadir partículas de nanocarbono negro a la mezcla del cemento, este podía transformarse en un conductor eléctrico. No sólo eso: además, descubrieron que podía generar calor, ampliando así las posibilidades del cemento y del hormigón a nuevos usos.

Desde casas a carreteras, pasando por puentes, grandes rascacielos, fundaciones, represas y un sinfín de otras obras, todas tienen un elemento en común: están fabricadas con hormigón. Las propiedades de este material -como su probada resistencia, entre otros- lo convierten en idóneo a la hora de construir las ciudades del futuro.

Asimismo, en términos de volumen, el hormigón es la sustancia más consumida por el ser humano, sólo superada por el agua. Por ello, y como su uso se enfoca principalmente en la construcción, cuando aparecen estudios que buscan ampliar su campo de acción, los resultados de estas, por mínimos que parezcan, tienen un profundo impacto en el desarrollo del material.

Justamente, el resultado del trabajo desarrollado por el Centro de Sostenibilidad del Hormigón del prestigioso MIT (CSHub, en sus siglas en inglés), en conjunto con el Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS), apunta a esa dirección: darle una nueva propiedad al material más utilizado para la construcción de ciudades. En este caso, la habilidad de emitir energía (calor) gracias a electricidad.

Agregando conductividad al cemento y hormigón

Uno de los grandes desafíos en torno al hormigón es buscar que el material sea sostenible al añadir otras funcionalidades. Precisamente, ese fue el camino que siguió la investigación del CSHub y el CNRS, en la que incorporaron elementos de conducción eléctrica al material y así, darle al hormigón una serie de otras aplicaciones, las que van desde el almacenamiento de energía a la emisión de calor.

“Este es un modelo de primer orden del cemento conductivo”, dijo Nancy Soliman, postdoc del CSHub del MIT y autora principal del artículo sobre esta nueva aplicación del material. “Y traerá (el conocimiento) necesario para fomentar la ampliación de este tipo de materiales multifuncionales”.

Para conseguir que esta nueva aplicación del cemento, lo que el grupo de investigadores liderados por Soliman hizo fue añadir nanocarbono negro a la mezcla del hormigón.

Foto: Muestras del cemento con propiedades conductivas. Crédito: Gentileza CSHub MIT

¿Por qué este material? Los materiales de nanocarbonos han proliferado en las últimas décadas debido a su particular combinación de propiedades, entre ellas, la conductividad. Científicos e ingenieros ya habían propuesto, en el pasado, el desarrollo de materiales que pudiesen brindar conductividad al cemento y hormigón, incorporándolos en la mezcla de estos.

Para este nuevo estudio, Soliman quiso asegurar que el material de nanocarbono a utilizar fuese lo suficientemente asequible para su producción industrial. Por ello, se utilizó nanocarbono negro, material de bajo costo derivado del carbono que posee excelentes cualidades de conductividad eléctrica, la que es posible traspasar al cemento y hormigón.

Así, los investigadores añadieron sólo un 4% de nanocarbono negro a la mezcla, descubriendo que ese pequeño porcentaje era más que suficiente para que la muestra de hormigón pudiese transportar una corriente eléctrica.

“Por su naturaleza, el hormigón es un material aislante”, explicó Soliman. “Pero, cuando agregamos las partículas de nanocarbono negro, pasó a transformarse de un aislante a un material conductivo”.

¿Un cemento y hormigón que emitan calor por sí mismos? Ahora es posible

La posibilidad de transformar al hormigón en un conductor eléctrico gracias al uso de nanocarbono negro, trajo consigo otra característica: que el material podía, además, almacenar energía y emitirla en ondas de calor. Esto, debido a lo que se conoce como “efecto Joule”.

“El efecto Joule (o calentamiento resistivo) es provocado por la interacción entre los electrones y átomos en movimiento en el conductor”, explicó Nicolas Chanut, coautor del estudio y también, postdoctorado del CSHub. “Los electrones acelerados en el campo eléctrico intercambian energía cinética cada vez que chocan con un átomo, induciendo a la vibración de los átomos en el entramado, lo que finalmente se manifiesta como calor y un aumento de la temperatura en el material”.

Foto: Al conducir corriente eléctrica a través de la muestra de mortero de cemento, con nanocarbono negro incorporado. Los investigadores lograron calentarla hasta los 46 grados Celsius (115 grados Farenheit), en el termómetro a la derecha de la imagen. Crédito: Gentileza CSHub MIT

Durante los ensayos con el nanocarbono negro, los investigadores descubrieron que un voltaje pequeño -tan bajo como 5 voltios- era capaz de elevar la temperatura de la superficie de las muestras de material, de unos 5 centímetros cúbicos de volumen, hasta en 41 grados Celsius.

El hallazgo abre un nuevo abanico de usos para el cemento y hormigón. “Esta tecnología podría utilizarse para pisos interiores que temperen los ambientes. Usualmente, para calentar losas interiores, lo que se hace es colocar un circuito de tuberías de agua caliente que pasa por debajo del piso, sin embargo, instalar y mantener un sistema así es todo un desafío. Cuando el cemento mismo se convierte en un conductor de calor, el sistema de calefacción es mucho más simple de instalar y más confiable. Además, el cemento ofrece una distribución de calor más homogénea debido a la buena dispersión de nanopartículas en el material”, detalló Chanut.

De esta forma, las aplicaciones del material podrían ser múltiples, tanto en interior como en exterior. Por ejemplo, Soliman y Chanut creen que con este material, podría asegurarse la durabilidad, sostenibilidad y seguridad de pavimentos de hormigón que estén sometidos a bajas temperaturas y que para descongelarlos, se deba utilizar sal, que provoca corrosión en esos elementos.

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