Edafoinspiración y sus Aplicaciones en Ingeniería Industrial

Fuente: Colaje imágenes Google

Supongo que muchos de vosotros ya sabéis el significado de lo que actualmente se denomina bioinsiración y/o sistemas bioinspirados. Hablamos de inspirarnos en estructuras y procesos biológicos con vistas a construir ingenios eficientes aplicables a la fabricación de productos/procesos industriales. Más concretamente Bioinspiración es el desarrollo de materiales, dispositivos y estructuras novedosos inspirados en las soluciones encontradas en los sistemas biológicos y la evolución y el refinamiento biológicos que se han producido durante millones de años. El objetivo es mejorar el modelado y la simulación del sistema biológico para lograr una mejor comprensión de las características estructurales críticas de la naturaleza, como un ala, para su uso en futuros diseños bioinspirados. La bioinspiración se diferencia de biomimetismo en que este último tiene como objetivo replicar con precisión los diseños de materiales biológicos. La investigación bioinspirada es un retorno a los orígenes clásicos de la ciencia: es un campo basado en la observación de las funciones notables que caracterizan a los organismos vivos, y tratando de abstraer e imitar esas funciones.

Poco o nada se ha hablado de la edafoinspiración, hasta el punto de que no creo que exista tal termino en la literatura científica. Sin embargo, los sistemas edáficos pueden ofrecer oportunidades de la misma guisa que los bioinspirados. Hoy expondremos una nota de prensa que da cuenta de ello, aunque los autores ni se percataran de tal hecho.

Cuando hace ya más de dos decenios, diversos científicos se dieron cuenta de la importancia de los medios porosos heterogéneos, los científicos del suelo habían sentado los pilares para poder edafoinspirar a algún científico creativo. Pero no ocurrió, a pesar de que inmediatamente me percaté de su potencial aplicación, informando por correo-electrónico a un antiguo conocido e importante experto internacional en las ciencias de los materiales. ¡No obtuve respuesta! Sin embargo, poco a poco, los expertos en las ciencias de los materiales se han ido percatando de las propiedades de ciertos materiales porosos y su aplicación a la industria. En primera instancia han ido abordando estructuras sintéticas en las cuales las estructuras porosas (es decir los poros) son del mismo tamaño. Y es aquí donde entra en juego las aportaciones de los edafólogos.

Prácticamente nada en lo que concierne a la estructura del suelo es producto del azar, atesorando patrones repetibles que ya son consideradas clásicas regularidades. Abajo os muestro los posts más relevantes que hemos publicado sobre el tema, por lo que me permito no realizar demasiados enlaces en mi entradilla. Os ruego que leáis estas contribuciones al final del post. Tanto la distribución de las partículas según su tamaño, como la de los agregados y poros, siguen las mismas leyes. Se trata de fractales o multifractales, pertenecientes ambos a las más genérica clase denominada distribución de cola larga. En términos más simples, la distribución de frecuencia los tamaños aumenta conforme disminuyen los tamaños de partículas, agregados y poros. Es decir, por ejemplo, existen muchos más poros pequeños que grandes a lo largo de varios ordenes de magnitud. Y es justamente tal patrón en que determina la circulación de gases, agua, y nutrientes de un modo altamente eficiente. Si los objetos mentados atesoraran todos del mismo tamaño, tal eficacia colapsaría, siendo los suelos resultantes altamente “ineficientes” con vistas a realizar lo que muchos denominan funciones del suelo y funciones ecológicas.

En vista de ello, los expertos en materiales, personalmente pensaba, que andaban un tanto descarriados. Empero poco a poco, a base de ensayo y error, se van cercionando de que la homogeneidad no es la mejor solución con vistas a resolver numerosos problemas de interés industrial. La noticia que expongo hoy, no es la primera, sino tan solo un ejemplo de que “edafoinspirandose” inadvertidamente, han encontrado que una distribución de tamaño de poros, como la que os he mentado en el suelo, aporta estructuras más aptas con vistas a obtener los materiales deseados.

El problema de estas notas de prensa estriba en que, por su profesión, utilizan una jerga que nos es ajena y a menudo incomprensible. Si pincháis en el título de la nota de prensa veréis una serie de figuras que no puedo reproducir por el copyright (excepto una). Y efectivamente, se trata de leyes de escala del tipo fractal como se infiera, si se tiene algún conocimiento en el tema de este comentario que aparece en la noticia: (….) Sin embargo, los electrodos de carbón activado tradicionalmente comerciales muestran una capacidad de almacenamiento indeseable debido a su estructura de poros unitarios y sitios activos insuficientes (….) propuso una nueva estrategia de fabricación de materiales basada en la ingeniería molecular de que el carbono altamente poroso con estructura de poros multiescala y (….).

Del mismo modo, también han llegado al conceto de superficies efectivas, relacionado con este tipo de patrones. Los patrones físicos y matemáticos aludidos, también acaecen a escala de paisaje al analizar los objetos geográficos (p. ej., mapas edafológicos).

No me cabe la menor duda de que otras estructuras que acaecen en el suelo, como, por ejemplo, los termiteros y hormigueros, ofrecerían lecciones dignas de aprender por los urbanistas, citando tan solo un ejemplo.

¿Por qué no nos animamos a llevar a cabo indagaciones sobre edafoinspiración?. Se trata de conocer la edafología y leer las necesidades de otras disciplinas, lo cual puede dar un poco de pereza, aunque evidentemente resulta imprescindible.

Juan José Ibáñez

Continúa……..

Carbonos porosos jerárquicos dopados múltiples para un almacenamiento superior de iones de zinc

por Science China Press

Figura omitida: a) Ilustración esquemática de los procesos de fabricación de los carbonos y las ventajas de este método; b) las isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno y c) las curvas de distribución del tamaño de los poros correspondientes; d) isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno de los carbonos obtenidos a partir de otros precursores moleculares. Crédito: Science China Press

Los supercondensadores híbridos de iones Zn (ZHSC) con la integración de un ánodo de tipo batería y un cátodo de tipo condensador han recibido una atención intensa debido a su densidad de energía relativamente alta. Los carbonos porosos (PC) son materiales catódicos prometedores debido a su abundancia de tierra, respeto al medio ambiente y estabilidad estructural.

Sin embargo, los electrodos de carbón activado tradicionalmente comerciales muestran una capacidad de almacenamiento indeseable debido a su estructura de poros unitarios y sitios activos insuficientes. La limitada contribución capacitiva del cátodo de carbón activado es difícil de igualar con la alta capacidad y cinética del ánodo Zn. Por lo tanto, el cuello de botella es diseñar y construir cátodos de PC avanzados para ZHSC de alto rendimiento.

La ingeniería de poros, el diseño nanoestructurado y el dopaje de heteroátomos son estrategias eficientes para mejorar las actividades electroquímicas de las PC. Sin embargo, los procesos de fabricación se basan generalmente en la carbonización indirecta de precursores con demanda de activaciones y plantillas.

El uso extensivo de agentes de activación y plantillas conduce a procedimientos de preparación complicados, procesos de lavado lentos y peligrosos, que no logran equilibrar los problemas ambientales y sus propiedades electroquímicas específicas. Además, la mayoría de los PC dopados con heteroátomos se obtienen procedimientos de regulación incontrolables y distribución arbitraria de heteroátomos, lo que lleva a dificultades para comprender la relación de la configuración específica de heteroátomos y la capacidad de almacenamiento de iones Zn.

a, b) Curvas TGA de diferentes precursores moleculares; c) las curvas de adsorción/desorción de nitrógeno y la curva de distribución del tamaño de los poros de los carbonos obtenidos en una alta relación de adición de las unidades ramificadas; d) ilustración esquemática del mecanismo de formación de poros. Crédito: Science China Press

Por lo tanto, es urgente diseñar una estrategia sostenible y controlable para diseñar carbonos con propiedades estructurales y de composición específicas hacia las ZHSC.

Un estudio reciente realizado por el Prof. Chuan Wu y el Prof. Ying Bai (Instituto de Tecnología de Beijing) propuso una nueva estrategia de fabricación de materiales basada en la ingeniería molecular de que el carbono altamente poroso con estructura de poros multiescala y dopaje de heteroátomos múltiples puede fabricarse de manera efectiva sin ningún fabricante de poros (plantillas o agentes de activación).

Este estudio mostró que la construcción de hipermoléculas ricas en heteroátomos múltiples altamente activas con cadenas principales moleculares ricas en N / P y unidades ramificadas ricas en N puede realizar IN SITU PC dopadas con micro / mesoporos (N / P / O-P) con SSA grande de más de 2000 m² g^-1.

Tal estrategia es general para el diseño de carbono altamente poroso, como lo demuestra la alta superficie específica resultante de PC variadas obtenidas con la misma estrategia. De acuerdo con las curvas TG y la información de la estructura de poros de los carbonos obtenida bajo una alta relación de adición de las unidades ramificadas, el grado de reticulación mejorado condujo a una menor porosidad de los carbonos, lo que demuestra la importancia de la estructura racional de reticulación de los precursores.

Combinado con la estructura de los poros bajo diferentes temperaturas de carbonización, se obtuvo el posible mecanismo de formación de poros. Una temperatura relativamente alta combinada con una hipermolécula de alta actividad contribuye a suficiente energía de autoactivación para la autoabscisión de los heteroátomos activos y la autoeliminación de átomos de carbono cerrados por heteroátomos inestables del esqueleto de carbono, generando vacantes masivas o micro / mesoporos.

Si bien la baja energía de autoactivación (baja temperatura) y el alto grado de reticulación dan como resultado estructuras de poros poco desarrolladas, los abundantes gases de soplado pueden inducir grandes grietas o canales de poros dentro de la matriz de carbono. En consecuencia, estas características estructurales / compositivas activas dotan a los cátodos óptimos con capacidades de almacenamiento sobresalientes de 139.2 a 0.5 A g^-1, rendimiento de alta velocidad (88,9 mAh g^-1 y 20 A g^-1), densidades superiores de energía/potencia y estabilidad de ciclo largo (casi sin degradación de la capacidad durante 10000 ciclos a 5 A g^-1) para los ZHSC acuosos. El cálculo teórico confirma los efectos sinérgicos del dopaje de átomos múltiples en la mejora de la conductividad electrónica y la reducción de la barrera energética entre el ion Zn y el carbono, promoviendo la capacidad de adsorción de iones Zn.

«Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre la fabricación directa de HD-HPC superiores para el almacenamiento de energía electroquímica», dijo el profesor Chuan Wu, «Creemos que tal estrategia puede ampliarse para diseñar materiales de carbono para diferentes aplicaciones que no están limitadas por ZHSC«.

La investigación fue publicada en Science China Materials.

Explora más a fondo

Adaptación de defectos en un ánodo de carbono duro para mejorar el rendimiento de almacenamiento de Na

Más información: Mingquan Liu et al, Ingeniería molecular hacia el desarrollo sostenible de carbonos porosos jerárquicos dopados múltiples para el almacenamiento superior de iones de zinc, Science China Materials (2022). DOI: 10.1007/s40843-022-2176-6

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