En el control del caos: A la caza de cristales de alta entropía

La naturaleza busca el caos. Es una frase bonita y reconfortante cuando otra taza de café se ha volcado sobre el teclado del ordenador y uno se imagina que podría desear que la infusión azucarada y lechosa volviera a la taza de café, donde había estado apenas unos segundos antes. Pero desear no funciona. Porque, como ya hemos dicho, la naturaleza busca el caos.

Los científicos han acuñado el término entropía para este efecto, una medida del desorden. En la mayoría de los casos, si el desorden aumenta, los procesos se ejecutan de forma espontánea y se bloquea el camino de vuelta al orden imperante anteriormente. Véase la taza de café derramada. Incluso las centrales térmicas, que generan una enorme nube de vapor por encima de su torre de refrigeración a partir de una ordenada pila de madera o un montón de hulla, funcionan impulsadas por la entropía. El desorden aumenta drásticamente en muchos procesos de combustión, y los seres humanos se aprovechan de ello, aprovechando un poco de energía en forma de electricidad del proceso en curso para sus propios fines.

¿Puede la entropía estabilizar algo?

Los cristales se consideran lo más opuesto al desorden. En una estructura cristalina, todos los elementos del entramado están ordenados de forma muy cercana en el menor volumen posible. Por ello, la idea de que los cristales puedan ser estabilizados por la fuerza de la entropía y crear así una nueva clase de materiales resulta aún más extraña.

Los materiales estabilizados por la entropía son todavía un campo de investigación joven. Comenzó en 2004 con las llamadas aleaciones de alta entropía, es decir, mezclas de cinco o más elementos que pueden mezclarse entre sí. Si la mezcla tiene éxito y todos los elementos están distribuidos homogéneamente, a veces surgen propiedades especiales que no provienen de los ingredientes individuales, sino de su mezcla. Los científicos los llaman "efectos de cóctel".

Incluso en el calor, el caos reina

Desde 2015 se sabe que incluso los cristales de cerámica pueden estabilizarse gracias al "poder del desorden". De este modo, incluso los elementos sobredimensionados y minúsculos encajan en el cristal, lo que normalmente lo destruiría. El equipo de investigación del Empa ya ha conseguido insertar nueve átomos diferentes en un cristal. La ventaja es que permanecen estables incluso a altas temperaturas, ya que "reorganizarlos" conduciría a un mayor orden. La búsqueda natural del máximo desorden estabiliza así la inusual estructura cristalina y, por tanto, todo el material.

"Con hasta cuatro componentes en el cristal, todo sigue siendo normal; con cinco componentes y más, el mundo cambia", explica Michael Stuer, investigador del departamento de Cerámica de Alto Rendimiento de Empa. Desde que el investigador criado en Luxemburgo se incorporó a Empa en 2019, trabaja en el campo de investigación de los cristales de alta entropía. "Esta clase de materiales nos abre un amplio abanico de nuevas oportunidades", afirma Stuer. "Podemos estabilizar cristales que de otro modo se desintegrarían debido a las tensiones internas. Y podemos crear superficies cristalinas altamente activas que nunca antes habían existido y buscar interesantes efectos de cóctel."

Junto con su colega Amy Knorpp, Stuer se adentra ahora en lo desconocido. Los dos son especialistas en la producción de polvo de cristal fino, y cuentan con colegas en Empa para el análisis de rayos X y de superficies para caracterizar con precisión las muestras que producen. Con su ayuda, Michael Stuer quiere estar ahora en la vanguardia de la escena internacional. "El número de publicaciones sobre el tema de los cristales de alta entropía está aumentando mucho en estos momentos. Y nosotros queremos estar ahí desde el principio", dice el investigador.

Islas de conocimiento

Lo que se necesita ahora es un enfoque sistemático, experiencia y una buena dosis de perseverancia. ¿Por dónde se empieza? ¿Qué dirección se toma? "De momento, no hay una experiencia coherente, ni una visión completa de este nuevo campo de investigación", dice Stuer. "Diferentes grupos de investigación de todo el mundo trabajan en proyectos limitados. Así que están surgiendo islas individuales de conocimiento que tendrán que crecer juntas en los próximos años".

Michel Stuer y Amy Knorpp se centran en los materiales catalíticamente activos. La reacción química que les interesa consiste en combinar_CO2 e hidrógeno para formar metano. El objetivo es convertir un gas de efecto invernadero en un combustible sostenible y almacenable. "Sabemos que las moléculas de_CO2 se adsorben especialmente bien en determinadas superficies y que la reacción deseada se produce entonces con mayor facilidad y rapidez", explica Amy Knorpp. "Ahora estamos tratando de producir cristales entrópicos en cuyas superficies existan esas regiones altamente activas".

Línea de montaje químico

Para avanzar más rápidamente, los investigadores han construido un dispositivo de síntesis especial con la ayuda del taller de Empa, en el que se pueden probar muchas mezclas químicas diferentes una tras otra, como si se tratara de una cadena de montaje. En el "Reactor Tubular de Flujo Segmentado", pequeñas burbujas recorren un tubo en el que tiene lugar la reacción correspondiente. Al final, las burbujas se vacían y el polvo que contienen puede seguir procesándose.

"El "Reactor de flujo tubular" tiene una gran ventaja para nosotros: todas las burbujas son del mismo tamaño, por lo que siempre tenemos unas condiciones límite ideales y consistentes para nuestras síntesis", explica Stuer. "Si necesitamos mayores cantidades de una mezcla especialmente prometedora, simplemente producimos varias burbujas con la misma mezcla una tras otra".

Las ventanas de la derecha

A continuación, el polvo precursor se convierte en cristales finos del tamaño y la forma deseados mediante diversos procesos de secado. "Los cristales son como las casas, tienen paredes exteriores cerradas y algunas con ventanas", explica Michael Stuer. A veces, la forma del cristal ya indica el lado de la ventana. Por ejemplo, cuando una mezcla forma cristales en forma de aguja. "Los lados largos de la aguja son los de menor energía. Ahí no ocurre gran cosa. Los bordes del cristal en las puntas de las agujas, en cambio, son de alta energía. Ahí es donde se pone interesante", explica Stuer.

Para su primer gran proyecto, los investigadores del Empa se han asociado con colegas del Instituto Paul Scherrer (PSI). Están investigando la posible metanización del_CO2 de las plantas de biogás y de tratamiento de aguas residuales en un reactor experimental. Los investigadores del PSI ya han adquirido experiencia con diversos catalizadores y se encuentran repetidamente con un problema: el catalizador, en cuya superficie tiene lugar la reacción química, se debilita con el tiempo. Esto se debe a que los componentes de azufre del biogás contaminan la superficie o a que las superficies del catalizador sufren una transformación química a altas temperaturas.

Aquí es donde los investigadores buscan un avance utilizando cristales entrópicos; al fin y al cabo, éstos no se rompen ni siquiera a altas temperaturas, sino que se estabilizan por el caos. "Tenemos la esperanza de que nuestros cristales duren más tiempo en el proceso y, posiblemente, sean más resistentes a la contaminación por azufre", dice Stuer.

Dibujando un mapa

Después de eso, los especialistas en cristales de Empa están preparados para otros retos, como las baterías de alto rendimiento, la cerámica superconductora o los catalizadores para los tubos de escape de los coches y otros procesos de producción química. "Es un bosque oscuro en el que nos adentramos", dice Amy Knorpp. "Pero tenemos una idea de en qué dirección podría encontrarse algo. Ahora estamos dibujando un mapa de estos sistemas. Creemos que en algún lugar hay un tesoro escondido".