Un nuevo material aprovecha la energía del vapor de agua

Una película de polímeros podría usarse en músculos artificiales y para alimentar a dispositivos micro y nanoelectrónicos.

Ingenieros del MIT han creado una nueva película de polímeros que puede generar electricidad aprovechando una fuente que está en todas partes: el vapor de agua.

El nuevo material cambia de forma tras absorber minúsculas cantidades de agua evaporada, lo que le permite curvarse repetidamente. Aprovechando este continuo movimiento, podría dirigir miembros robóticos o generar suficiente electricidad para dispositivos micro y nanoelectrónicos, tales como sensores ambientales.

 

  Vapor de agua Crédito: chops79

“En un sensor alimentado por una pila, tienes que reemplazarla periódicamente. Si tienes este dispositivo, puedes aprovechar la energía del entorno de forma que no tenga que cambiarla a menudo”, dice Mingming Ma, estudiante de posdoctorado en el Instituto David H. Koch del MIT para Investigación Integral del Cáncer y autor principal de un artículo que describe el nuevo material en el ejemplar del 11 de enero de la revista Science.

“Estamos muy entusiasmados con este nuevo material, y esperamos que, cuando logremos una mayor eficiencia convirtiendo la energía mecánica en electricidad, este material encuentre más aplicaciones”, dice Robert Langer, Profesor del Instituto David H. Koch en el MIT y autor sénior del artículo. Esas potenciales aplicaciones incluyen generadores a gran escala alimentados por vapor de agua, o generadores más pequeños para alimentar dispositivos electrónicos de uso común.

Aprovechando la energía

La nueva película está hecha de una red entrelazada de dos polímeros distintos. Uno de los polímeros, el polipirrol, forma una matriz dura, pero flexible, que proporciona el soporte estructural. El otro polímetro, el borato-poliol, es un gel blando que aumenta de tamaño cuando absorbe agua.

Los esfuerzos previos para crear películas que respondan al agua solo habían usado el polipirrol, que muestra una respuesta mucho más débil. “Incorporando los dos tipos distintos de polímeros, puedes generar un desplazamiento mucho mayor, así como una fuerza mayor”, dice Guo.

La película aprovecha la energía que se encuentra en el gradiente de agua entre los entornos secos y acuosos. Cuando la película, de 20 micrómetros de grosor, se coloca sobre una superficie que contiene incluso una cantidad pequeña de humedad, la capa inferior absorbe el agua evaporada, forzando a que la película se curve sobre la superficie. Una vez que la capa inferior de la película está expuesta al aire, libera rápidamente la humedad, da una vuelta hacia adelante, y empieza a curvarse de nuevo. Conforme se repite el ciclo, el movimiento continuo convierte la energía química del gradiente de agua en energía mecánica.

Tales películas podrían desempeñar el papel de actuadores (un tipo de motor) o generadores. Como actuador, el material puede ser sorprendentemente potente: los investigadores demostraron que una película de 25 miligramos puede elevar una carga de películas de vidrio de 380 veces su propio peso, o transportar una carga de cables de plata de 10 veces su peso, funcionando como un “minitractor” alimentado por agua. Usando solo agua como fuente de energía, esta película podría reemplazar a los actuadores alimentados por electricidad que se usan ahora para controlar pequeños miembros robóticos.

“No necesita una gran cantidad de agua”, dice Ma. “Una pequeña cantidad de humedad sería suficiente”.

Una ventaja clave de la nueva película es que no requiere de la manipulación de las condiciones ambientales, como sucede con los actuadores que responden a los cambios en la temperatura o la acidez, señala Ryan Hayward, profesor asociado de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts en Amherst.

“Lo realmente impresionante de este trabajo es, que fueron capaces de diseñar un esquema donde un gradiente de humedad provocaría que el polímero se curvase, diese la vuelta, y se curvase en la otra dirección, cíclicamente, y pudieron aprovechar esa energía para realizar un trabajo”, comenta Hayward, que no fue parte del equipo de investigación.

Generar electricidad

La energía mecánica generada por el material, también puede convertirse en electricidad, acoplando la película de polímero a un material piezoeléctrico, el cual convierte la tensión mecánica en una carga eléctrica. Este sistema puede generar una potencia media de 5,6 nanowatts, que pueden almacenarse en condensadores para alimentar dispositivos microelectrónicos de potencia ultra-baja, tales como sensores de temperatura y humedad.

Si se usaran para generar electricidad a gran escala, la película podría aprovechar la energía del entorno – por ejemplo, situándolos sobre un lago, o río. O podría acoplarse a la ropa, donde la simple evaporación del sudor podría alimentar dispositivos como sensores de monitorización fisiológica. “Podrías estar corriendo, o haciendo algún ejercicio, y estar generando energía”, señala Guo.

A menor escala, la película podría alimentar sistemas microelectromecánicos (MEMS), incluyendo a sensores ambientales, o dispositivos aún menores, como los nanoelectrónicos. Los investigadores están trabajando ahora para mejorar la eficiencia de la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, lo que podría permitir que películas más pequeñas alimentasen a dispositivos mayores.

Fuente: Ciencia Kanija - MIT News