Nanopartículas pueden convertir el cemento en conductor eléctrico

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25 Abril 2023 Alicia Rivera
[Central Interactiva / Shutterstock]

En los últimos años, la nanotecnología se incorpora cada vez más en la ingeniería de la edificación y en la construcción en especial. El desarrollo en la tecnología de materiales de construcción basada en nanotecnología viene en un ritmo muy rápido y las propiedades que conlleva muestran un futuro muy comprometido.

Las aplicaciones de la nanotecnología en los materiales de construcción ofrecen nuevas oportunidades en el sector, generando materiales con propiedades específicas y avanzadas como mayores resistencias mecánicas, mayor durabilidad, resistencia a la corrosión, resistencia al fuego y materiales súper-hidrofóbicos.

Nanotecnología en elementos con base cemento

El cemento es un conglomerante hidráulico de naturaleza inorgánica que está formado de una mezcla de materiales calizos y arcillosos, que cuando se amasa con agua, forma una pasta que fragua y endurece mediante las reacciones de hidrólisis e hidratación.

El material más utilizado con base cemento es el hormigón, que es una mezcla de cemento, áridos (arena y grava), agua y algunos aditivos en distintas proporciones. El hormigón es muy utilizado en la construcción por su resistencia al agua, facilidad de fabricar en formas distintas y bajo coste.

La fase amorfa, silicato de calcio-hidrato (C-S-H) es el "pegamento" que mantiene el hormigón unido y es en sí mismo un nanomaterial. Por ello algunos autores reconocen que el C-S-H se encuentra en la escala de los nanomateriales. (1)

La adición de nano partículas al cemento influye muy notablemente en su proceso de hidratación, a todas las escalas: nano, micro y macro, de los compuestos químicos que se generan, modificando su estructura. Esta influencia incluye la nano y la microestructura del (C-S-H) que tienen un efecto muy notable en la resistencia del hormigón a macro-escala.

Las nanopartículas rellenan los huecos entre los granos de cemento y entre los áridos y actúan como núcleos activos que incrementan la hidratación del cemento, por la gran reactividad de su superficie; mejoran sus propiedades resistentes, reducen su porosidad y la retracción del hormigón que causa fisuras, así como su posible posterior degradación.

También incrementa la cantidad de (C-S-H) de alta densidad que se encuentra en la pasta de cemento y disminuye las cantidades de hidróxido cálcico Ca (OH) 2 y la cantidad de (C-S-H) gel de menor densidad. La presencia en el hormigón de mayores cantidades de (C-S-H) gel de muy alta densidad, incrementa la resistencia a la disolución del carbonato cálcico de la matriz del hormigón.

Los nuevos productos nano cementantes reducirán significativamente las emisiones de CO2, producidas en la fabricación del cemento portland y reducirán también el consumo de las materias primas tradicionales, principalmente calizas (limestone) y la reducción declinker de cemento portland.

Como consecuencia de las mejores propiedades de los nuevos nanos materiales cementicios, se reducirá la fabricación y el consumo de cemento portland; este conjunto de acciones contribuirá a mejorar globalmente la sostenibilidad de la industria de la construcción en los próximos años. (2)

Nanopartículas pueden convertir cemento en conductor eléctrico

Un estudio realizado entre el Centro de Sostenibilidad del Hormigón del MIT (CSHub) y el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS) 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.

El hormigón es la sustancia más consumida por el ser humano, sólo superada por el agua y uno de los grandes desafíos 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, que van desde el almacenamiento de energía a la emisión de calor.

Para conseguir esta nueva aplicación del cemento, el grupo de investigadores añadió nanocarbono negro a la mezcla del hormigón, que tiene la característica de la conductividad, además que es un material de bajo costo.

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.

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.

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, porque podría utilizarse para pisos interiores que temperen los ambientes. 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. (3)

REFERENCIAS

(1)   https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/133970/Mem%C3%B2ria_TsotsisGeorgios.pdf?sequence=1&isAllowed=y

(2)   https://nuevastecnologiasymateriales.com/aplicaciones-de-la-nanotecnologia-a-la-industria-de-la-construccion/

(3)   https://hormigonaldia.ich.cl/smartconcrete/investigadores-agregan-propiedades-electricas-al-cemento-con-nanocarbono-negro/

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