Un nuevo récord de velocidad iónica podría acelerar la carga de baterías y la biodetección
Se ha batido un récord de velocidad gracias a la nanociencia, lo que podría dar lugar a multitud de nuevos avances, como la mejora de la carga de baterías, la biodetección, la robótica blanda y la computación neuromórfica.
Las velocidades récord de los iones se consiguen en conductores orgánicos donde las moléculas locales pueden atraer o repeler iones de nanocanales que actúan como superautopistas iónicas.
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Científicos de la Universidad Estatal de Washington y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han descubierto una forma de hacer que los iones se muevan más de diez veces más rápido en conductores orgánicos mixtos iónico-electrónicos. Estos conductores combinan las ventajas de la señalización iónica utilizada por muchos sistemas biológicos, incluido el cuerpo humano, con la señalización electrónica utilizada por los ordenadores.
El nuevo desarrollo, detallado en la revista Advanced Materials, acelera el movimiento de los iones en estos conductores mediante el uso de moléculas que atraen y concentran los iones en un nanocanal independiente creando una especie de diminuta "superautopista iónica".
"Poder controlar estas señales que la vida utiliza todo el tiempo de una forma que nunca habíamos podido hacer es bastante potente", afirma Brian Collins, físico de la WSU y autor principal del estudio. "Esta aceleración también podría tener beneficios para el almacenamiento de energía, lo que podría tener un gran impacto".
Este tipo de conductores tienen mucho potencial porque permiten el movimiento de iones y electrones a la vez, lo que es fundamental para la carga de baterías y el almacenamiento de energía. También impulsan tecnologías que combinan mecanismos biológicos y eléctricos, como la computación neuromórfica, que intenta imitar los patrones de pensamiento del cerebro y el sistema nervioso humanos.
Sin embargo, aún no se sabe exactamente cómo coordinan estos conductores el movimiento de iones y electrones. Como parte de las investigaciones para este estudio, Collins y sus colegas observaron que los iones se movían dentro del conductor con relativa lentitud. Debido a su movimiento coordinado, el movimiento lento de los iones también ralentizaba la corriente eléctrica.
"Descubrimos que los iones fluían perfectamente en el conductor, pero tenían que atravesar esta matriz, como un nido de ratas de tuberías para que fluyeran los electrones. Eso ralentizaba los iones", explica Collins.
Para solucionar este problema, los investigadores crearon un canal recto del tamaño de un nanómetro sólo para los iones. Luego tuvieron que atraer los iones hacia él. Para ello recurrieron a la biología. Todas las células vivas, incluidas las del cuerpo humano, utilizan canales iónicos para mover compuestos dentro y fuera de las células, así que el equipo de Collins utilizó un mecanismo similar al de las células: moléculas que aman u odian el agua.
En primer lugar, el equipo de Collins recubrió el canal con moléculas hidrófilas amantes del agua que atraían los iones disueltos en agua, también conocida como electrolito. A continuación, los iones se desplazaron muy rápidamente por el canal, a velocidades más de diez veces superiores a las que lo harían sólo a través del agua. El movimiento de los iones representó un nuevo récord mundial de velocidad iónica en cualquier material.
Por el contrario, cuando los investigadores recubrieron el canal con moléculas hidrófobas, que repelen el agua, los iones se mantuvieron alejados y se vieron obligados a viajar a través del "nido de ratas", más lento.
El equipo de Collins descubrió que las reacciones químicas podían invertir el atractivo de las moléculas para el electrolito. Esto abriría y cerraría la superautopista de iones, de forma muy parecida a como los sistemas biológicos controlan el acceso a través de las paredes celulares.
Como parte de sus investigaciones, el equipo creó un sensor que podía detectar rápidamente una reacción química cerca del canal porque la reacción abriría o cerraría la superautopista de iones creando un pulso eléctrico que un ordenador podría leer.
Según Collins, esta capacidad de detección a nanoescala podría ayudar a detectar la contaminación ambiental o el funcionamiento de las neuronas en el cuerpo y el cerebro, uno de los muchos usos potenciales de este desarrollo.
"El siguiente paso es aprender todos los mecanismos fundamentales para controlar este movimiento iónico y llevar este nuevo fenómeno a la tecnología de diversas formas", explicó.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Local Chemical Enhancement and Gating of Organic Coordinated Ionic-Electronic Transport; Advanced Materials 2024
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