¿Los nanomateriales en las bicicletas? Parte 2

Escrito en inglés por Margy Robinson
Traducido por Scott Miller

En la entrada de martes, les dije a ustedes sobre las propiedades impresionantes de los nanotubos de carbono (NTCs) y cómo pueden aumentar la fuerza y reducir el peso en el cuadro de las bicicletas comparado con los diseños tradicionales. También les dije sobre el costo alto y el manejo difícil de los NTCs que ha parecido obstaculizar la adopción más universal del nanomaterial en las bicis.

Mientras los NTCs han estado rodando sin pedalear, un material relacionado de carbono que se llama grafeno (inglés: “graphene”), ha entrado a la escena. El grafeno es una lámina sola de átomos de carbono ordenada en un panal hexagonal–básicamente un nanotubo de carbono desplegado. Tal vez usted estuviere impactado oír esto, pero ¡todos los estudiantes de las escuelas primarias en el mundo han hecho una forma de grafeno! La razón es que el grafeno es una sola capa de grafito, el material común encontrado en los lápices.

graphene

La mina de un lápiz es hecha de grafito. ¡El grafeno es una lámina sola de grafito! (imágenes de Juliancolton (izquierda), Mattman723 (centro) y QuQu from ru (derecha))

Aunque algún conocimiento teorético de grafeno ha existido tan temprano como 1947, una manera de separar láminas solas no se fue descubierto hasta 2004, cuando los investigadores en la Universidad de Manchester en el Reino Unido levantaron capas atómicas de grafito usando la cinta adhesiva clara (esos investigadores ganaron el Premio Nobel de Física en 2010)1. Este método fácil de hacer el grafeno ha abierto las puertas a estudiar este material.

Similar a los NTCs, el grafeno es más de 100 veces más fuerte que el acero*, y es 1,6 veces más conductivo eléctricamente y 10 veces más conductivo térmicamente que el cobre. El grafeno también tiene la ventaja adicional que es dos veces menos denso y tiene un área superficial aproximadamente 5 veces más grande que el de los NTCs, a la misma vez mantiene una configuración de una hoja flexible.2 La flexibilidad y el área superficial grande de grafeno son propiedades particularmente interesantes porque es posible facilitaren incorporar las láminas de grafeno en los otros materiales (como el aglutinante de resina que se utiliza para hacer una estructura de bici de fibras de carbono) sin los problemas de aglomerar de los NTCs.3

Otra propiedad de grafeno que es potencialmente útil es la transmitancia térmica eficiente. La buena conductividad térmica requiere hilos de material que son largos y unidos continuamente. Los NTCs tienen un límite alrededor de 1000 micrómetros de tamaño, por eso no son útiles por conducir el calor a gran escala–a menos que muchos NTCs pudieran ser ligados. Una hoja de grafeno, por otro lado, puede, en teoría, ser tan grande como el cristal de grafito de que se saca – ¡milímetros o centímetros de longitud!

¿Por qué es importante la conductividad térmica en las bicis? Los frenos de una bici necesitan la fricción entre la pastilla del freno y la llanta.

Los frenos

Los frenos en una bici estrujan los lados de una llanta con el uso de fricción para reducir la velocidad. (foto de Jeff Archer)

Durante el frenado sostenido, por ejemplo cuando bajando el lado de una montaña, el calor puede acumular y resultar en las paredes de la llanta deformando o potencialmente explotando. ¡No bueno! Idealmente, el grafeno, incorporado en la superficie de freno de las ruedas, conduciría el calor fuera de la llanta y prevenirla de romperse.

una llanta

Una llanta que explotó, ¡tal vez debido a la acumulación de calor! (foto de Thirteen of Clubs)

A diferencia de los nanotubos de carbono, el grafeno no esperó por 16 años después de descubrirse a saltar en los productos relacionados al ciclismo. Tan pronto como 2015, los cascos y zapatos de ciclismo de Catlike4 y las llantas5 y ruedas e Vittoria (como usted puede ver en el video al fin de parte 1)6 incluyen grafeno. ¿Pero puede creer usted en la marketing? Catlike promociona la incorporación de “nanofibras de grafeno” en la estructura interna de los cascos y las suelas para la fuerza y la durabilidad mejoradas. Vittoria promociona el uso de “Grafeno Plus” en sus ruedas para disipar el calor y en las llantas para resistir a la perforación.

Margy-helmet

En serio, ¿¿¿hay grafeno en estos??? (fotos de Glory Cycles, izquierda y derecha)

Aunque todas estas reclamaciones están de acuerdo con nuestras expectativas de las características de grafeno, no es probable que Catlike ni Vittoria usen grafeno auténtico. Womp womp womp. ¿Cómo sé este yo? Para entender las “nanofibras de grafeno” de Catlike, una familiaridad con la jerga científica es útil. Las nanofibras hecho totalmente de carbono pueden tomar formas varias, tales como conos, tazas, placas o en tubos con una lámina o láminas múltiples. Una nanofibra de carbono en la forma de un tubo con una lámina sola se puede desenrollar, a una lámina sola de grafeno, y probablemente este hecho es la fuente de la parte “grafeno” en sus “nanofibras de grafeno.” Esos tubos de nanofibras de carbono se llamarían más exactamente nanotubos de carbono, como dijimos en parte 1 de esta serie. ¡Parece que Catlike ha dado un nombre nuevo a un material ya conocido!

Este es un video del sitio de web de Vittoria que explica el uso de grafeno en sus llantas y ruedas (el video es en inglés).

El sitio de web de Vittoria ofrece mucha información interesante y acertada sobre el grafeno. Con poca investigación, se puede encontrar que Vittoria y su proveedor de grafeno, Directa Plus, especifican que los materiales en las llantas y ruedas son 2 a 8 capas de átomos de espesor.7 Recuerde que el grafeno es, por definición, sola una capa atómica de carbono, y se hace evidente que estos materiales de capas múltiples técnicamente no son el grafeno sino cristales pequeñísimos de grafito. Estos cristales a veces se llaman nanoplaquetas de grafito.

Margy-nanofibers

¡Las nanofibras de carbono adoptan muchas formas! Una es un tubo, se llama un nanotubo de carbono.8 Una nanoplaqueta, tal como la a la derecha, es distinta de grafeno (imagen a la izquierda de Margaret Robinson; imagen a la derecha adaptado de Michael Ströck)

Aunque cada lámina dentro de una nanoplaqueta de grafito probablemente tenga características similares a grafeno, la nanoplaqueta en conjunto no las tiene. La robustez mecánica, por ejemplo, es enormemente diferente entre los dos materiales. Se junta las láminas de grafito en una manera suelta, tan suelta que arrastrando un lápiz sobre una hoja de papel puede separar las láminas. Así que es posible que Vittoria no acceda la fuerza de su aditivo de nanomaterial tan poderosa como pudieran acceder, pero no estoy calificada para evaluar esto. Me enoja el nombre erróneo y la implicación que están usando las características superlativas de grafeno en láminas solas. Sin embargo, imagino que el término “grafeno” tenga más reconocimiento público que el término “nanoplaqueta de grafito.”

Tal vez usted esté decepcionado después de oír estos nombres poco apropiados de grafeno, pero debemos apreciar que estos materiales todavía son nanomateriales. Tienen características distintas debido a su tamaño, área superficial grande comparada al volumen y la reactividad, y se puede utilizar estas propiedades por muchas aplicaciones. Cada paso del camino a la conversión de la investigación académica a productos útiles puede ser positivo. Estos usos de nanotubos de carbono y nanoplaquetas de grafito, con suerte, pueden guiarnos a la próxima aplicación grande. Tal vez será la bici que gane el Tour de Francia. Y tal vez mi amiga, Mimi Hang, la manejará.

anando en bicicleta

¡Mimi andando en bicicleta! (foto de Margaret Robinson)

El verano pasado, la lección de andar en bicicleta con Mimi duró solamente 30 minutos. Una parte de la razón por la corta duración de la lección fue que la compañía que alquilaba la bici iba a cobrar más dinero por un alquiler más extenso, pero la mayoría de la razón fue que ella estaba pasando volando a lo largo del carril bici sin la necesidad de una mano extra para balancearla. ¡Me hicieron feliz compartir mi pasión de andar en bicis con Mimi y compartir alguna información sobre los nanomateriales en la industria de ciclismo con ustedes!

*Una lámina teorética de acero con un espesor de 0,335 nanómetros fue usado en comparación.


RECURSOS INFORMATIVOS


REFERENCIAS

  1. The Nobel Foundation. The Nobel Prize in Physics 2010. Retrieved from http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
  2. Scientific background on the Nobel Prize in Physics 2010: Graphene. The Royal Swedish Academy of Sciences. 2010. Retrieved from https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/advanced-physicsprize2010.pdf
  3. Levitich, C. Graphene bicycles—the potential future of composites. 4 Feb 2015. Retrieved from http://www.bikeradar.com/us/gear/article/graphene-bicycles-the-potential-future-of-composites-43196/
  4. Phillips, M. The 13 Coolest Road Helmets at the 2015 Tour De France. Bicycling.28 July 2015. Retrieved from http://www.bicycling.com/racing/2015-tour-de-france/the-13-coolest-road-helmets-at-the-2015-tour-de-france?slide=6
  5. Phillips, M. First Look: Catlike Whisper Shoes. Bicycling. 10 Dec 2015. Retrieved from http://www.bicycling.com/bikes-gear/cycling-shoes/first-look-catlike-whisper-shoes
  6. Tran, C. Vittoria Graphene Tires . 26 August 2015. Retrieved fromhttps://youtu.be/zphzwXRdqIw
  7. Vittoria. Road Technology. Retrieved fromhttp://www.vittoria.com/technologies/road-technology/
  8. Teo, K., Singh, C., Chhowalla, M., Milne, W. Catalytic synthesis of carbon nanotubes and nanofibers. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (ed. H.S. Nalwa). 2003, 10. 1-22.

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