Investigadores del MIT han creado películas delgadas, puras y densas de nanotubos de carbono que parecen ser prometedoras como electrodos para baterías y supercondensadores electrolíticos de alta capacidad. Al prescindir de los aditivos que se usaban antes para mantener las películas unidas, se mejoraron sus propiedades eléctricas, incluso la habilidad de conducir y almacenar una gran cantidad de carga.

Los nanotubos de carbono pueden conducir y almacenar más carga que cualquier otra forma de carbono, en parte debido a que su estructura a nanoescala les otorga un área muy grande. Pero los métodos convencionales para transformarlos en películas deja brechas importantes entre los nanotubos individuales o exige materiales adhesivos para mantenerlos unidos. Ambos métodos reducen la conductividad (capacidad para conducir una carga) de la película y la capacitancia (la habilidad para almacenarla).

El grupo del MIT, dirigido por la profesora de ingeniería química Paula Hammond y la profesora de ingeniería mecánica Yang Shao-Horn, crearon las películas nuevas de nanotubos utilizando un método llamado ensamblado de capas. Primero, el grupo crea soluciones de agua de dos tipos de nanotubos: un tipo tiene moléculas de carga positiva unida a ellos y el otro está unido a moléculas de carga negativa. Luego los investigadores mojan un material muy delgado, como una oblea de silicio, en las dos soluciones, alternadamente. Debido a las diferencias de sus cargas, los nanotubos se atraen entre sí y se mantienen unidos sin ningún tipo de adhesivo. Y los nanotubos de cargas similares se repelen mientras que están en una solución, así que forman capas delgadas y uniformes sin aglutinarse.

Después, las películas resultantes pueden despegarse del material y exponerse a una nube de hidrógeno para que se quemen las moléculas cargadas. El resultado es una capa pura de nanotubos de carbono. Las películas constan de nanotubos en un 70 por ciento; el resto es espacio vacío, poros que pueden usarse para almacenar litio o electrolitos líquidos en futuros electrodos de baterías. Hammond dice que las películas, “pueden almacenar mucha energía y descargarla rápidamente”. La capacitancia de las películas del MIT, es decir, su capacidad para almacenar cargas eléctricas, es una de las más altas jamás medidas para películas de nanotubos de carbono, comenta Shao-Horn. Esto significa que podrían servir como electrodos y supercondensadores electrolíticos que se carguen rápidamente, que tengan potencia de salida alta y una vida larga.

El grupo MIT no es el primero que utiliza la técnica de capas para crear películas de nanotubos. Pero previamente, los investigadores utilizaron un método de poner capas de polímero de carga positiva con nanotubos de carga negativa, lo que resultó en películas que sólo tenían un 50 por ciento de nanotubos. Ningún polímero puede equiparar la conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono, así que las propiedades eléctricas de estas películas no eran tan impresionantes como las de Hammond y Shao-Horn. Otros crearon películas desarrollando nanotubos a partir de un elemento, pero el conjunto resultante de nanotubos alineados verticalmente no era lo suficientemente denso.

“Veo que esto es particularmente importante para supercondensadores electrolíticos, porque todos los materiales de nanotubos pueden almacenar volúmenes de carga potencialmente mayores”, dice Nicholas Kotov, un profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la University of Michigan.

Además de su capacitancia alta, las películas de nanotubos tienen otras ventajas como materiales para electrodos, comenta Shao-Horn. Los electrodos convencionales de densidad de energía alta están hechos de polvo de carbono unido por un adhesivo. Pero las partículas del adhesivo en la superficie del electrodo reducen su área activa y resulta difícil modificarlo. Shao-Horn dice que con los nanotubos de carbono, “tienes un control sistemático de la química de la superficie”. Por ejemplo, agregar moléculas cargadas a la superficie del electrodo, podría aumentar su capacitancia y su densidad energética.

“Muchos investigadores están dedicándose a las películas delgadas de nanotubos de carbono para distintas aplicaciones en la electrónica, almacenamiento de energía, y otras áreas”, comenta John Rogers, un profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la University of Illinois en Champaign-Urbana. El grupo del MIT se centró primariamente en desarrollar las películas para aplicaciones electroquímicas como las baterías, pero la técnica de capas es versátil. Al variar el pH de las soluciones de nanotubos y la cantidad de capas en las películas, es posible modificar las propiedades eléctricas de las películas. Esta es “una característica atractiva de este método”, comenta Rogers. Por ejemplo, la técnica podría utilizarse para hacer películas de nanotubos para elementos electrónicos flexibles. Kotov también le ve otros usos potenciales a las películas de nanotubos. Cuando se sumergen en líquidos, las películas se hinchan. “Esto será útil porque altera la conductividad y la capacidad del material, lo que abre muchas perpectivas para aplicaciones de detección y pinturas inteligentes”, dice Kotov.

Sin embargo, el método de capas consume tiempo. Los electrodos típicos tienen un espesor de 10 a 100 micrómetros; los que han hecho el grupo del MIT hasta ahora sólo tienen un espesor de alrededor de 1 micrómetro. Pero Hammond, una pionera del ensamblaje de polímeros por capas, desarrolló una técnica de rociado por capas que debe poder adaptarse a los nanotubos. “Esto reduce, en una orden de magnitud, el tiempo que toma; tiempo que será necesario para el desarrollo comercial”, dice Shao-Horn.