Observación de la carga eléctrica ultrarrápida de los líquidos
Los resultados amplían la aplicabilidad a diversos sistemas, desde las membranas biológicas hasta los dispositivos de almacenamiento de energía de nueva generación
Las superficies cargadas en contacto con líquidos -como las paredes de las células biológicas o los electrodos de las baterías- atraen iones de carga opuesta del líquido. Esto crea dos regiones cargadas distintas: la propia superficie y una región con carga opuesta en el líquido: la llamada doble capa eléctrica. Aunque es fundamental para los dispositivos de almacenamiento de energía, la velocidad de su formación ha sido un misterio. Un equipo de investigadores ha desarrollado una técnica basada en la luz para observar este proceso ultrarrápido. Los resultados validan modelos anteriores y amplían su aplicabilidad a diversos sistemas, desde membranas biológicas hasta dispositivos de almacenamiento de energía de última generación.
Ya sea en las baterías de los coches eléctricos, donde los portadores de carga se separan durante la carga para proporcionar energía para la conducción, en los condensadores electrolíticos que pueden encontrarse en casi todos los dispositivos electrónicos, o en la electrólisis, donde el agua se descompone en sus componentes hidrógeno y oxígeno: en todos estos procesos tecnológicos, los portadores de carga en los líquidos tienen que desplazarse hacia una interfaz. Estos procesos también se encuentran en los procesos biológicos del cuerpo humano y se utilizan para almacenar energía.
Todos los procesos tienen en común la formación de una "doble capa eléctrica" en una interfase: en los polos de la batería, en las placas del condensador, en los electrodos de la electrólisis o en la membrana celular. Mientras que un lado -por ejemplo, el electrodo- está cargado negativamente, la correspondiente carga positiva en forma de iones móviles se encuentra en el lado líquido. La rapidez con la que pueden formarse estas capas dobles, de unos pocos nanómetros de grosor, o la rapidez con la que reaccionan ante una perturbación es importante para entender la rapidez con la que un dispositivo de almacenamiento de energía puede captar y liberar la energía eléctrica, por ejemplo para aplicaciones como la carga de baterías.
Para un número bajo de portadores de carga móviles, los modelos teóricos y las mediciones han predicho durante mucho tiempo esta dinámica y pueden describir bien el movimiento de los iones en esta doble capa. Sin embargo, si el número de portadores de carga aumenta, como ocurre en los sistemas biológicos y es necesario para las baterías, los supuestos de estos modelos se vienen abajo. Por tanto, ha seguido siendo un misterio cómo se forman exactamente las capas dobles eléctricas.
"Hasta ahora, no ha sido posible estudiar los procesos exactos que intervienen en la formación de la doble capa", afirma Mischa Bonn, Director del MPI para la Investigación de Polímeros. "Simplemente no es posible estudiar procesos que tienen lugar tan rápidamente como el movimiento de iones con circuitos electrónicos, porque los propios circuitos sólo pueden proporcionar una resolución temporal limitada. Utilizamos la óptica ultrarrápida para sortear esa limitación".
Por ello, el equipo del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros y la Universidad de Viena utilizó un método de medición óptica para estudiar la formación de la doble capa. Para ello, añadieron ácido al agua, lo que provoca la formación de iones positivos (H3O+). Estos iones se disponen preferentemente en la superficie del agua, donde forman una doble capa eléctrica. Para calentar la superficie se utilizó un potente pulso láser en el rango infrarrojo, que eliminó el H3O+ de la superficie, perturbando así la doble capa. Investigando la superficie con más pulsos láser tras un retardo de tiempo y detectando la luz reflejada, pudieron cuantificar cómo los iones se alejaban de la superficie para alcanzar un nuevo equilibrio.
Combinaron sus resultados experimentales con simulaciones por ordenador. Esto les permitió demostrar que la formación de la doble capa está causada principalmente por campos eléctricos, incluso a altas concentraciones.
La nueva metodología, que acaban de publicar en la revista Science, abre nuevas vías para estudiar estos procesos en interfaces de una amplia gama de sistemas químicos y biológicos. Además, el equipo descubrió que incluso las interfaces complejas pueden describirse utilizando modelos físicos relativamente sencillos. Confirman que los marcos teóricos existentes describen con notable precisión la formación de la doble capa.
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