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Un equipo liderado desde la Universidad de Oxford ha presentado un estudio publicado en Science con un nuevo cambio en el diseño molecular, con el foco puesto en las baterías y la tecnología electroquímica.
El objetivo es que el mecanismo de conducción no se altere al cambiar el estado físico. Tal y como señala el autor principal del estudio, Paul McGonigal, de la Universidad de Oxford: “Al probarlos, nos sorprendió descubrir que el comportamiento no varía en la fase líquida, de cristal líquido y sólida. Fue un resultado realmente espectacular, y nos alegró descubrir que puede repetirse con diferentes tipos de iones”.
El secreto reside en una nueva clase de materiales que el equipo describe como electrolitos independientes del estado (state-independent electrolytes, SIEs, en sus siglas en inglés). Son compuestos orgánicos diseñados desde cero para que los iones sigan moviéndose con fluidez incluso cuando el material pasa de líquido a sólido. En lugar de aceptar que solidificar equivale a bloquear, el trabajo persigue que el sólido conserve un “interior móvil”, sin necesidad de mantenerse blando o gelatinoso.
Por otro lado, los SIEs tratan de esquivar ese bloqueo con una arquitectura distinta: núcleos planos rodeados de cadenas flexibles que reducen el freno electrostático. Así se persigue algo que parecía contradictorio, un sólido que, aun estando ordenado, mantiene zonas internas blandas por las que los iones pueden seguir moviéndose.
Este fenómeno no parece depender de una “química rara” que solo funcione en un caso aislado. La clave reside en el patrón de diseño (cómo se reparte la carga y cómo se organiza la molécula), y eso sugiere una familia de materiales modulable.
Como explica la estudiante de doctorado Juliet Barclay, autora principal del estudio: “Es gratificante descubrir algo que cambia nuestra forma de pensar sobre el funcionamiento de los materiales. Hemos demostrado que los materiales orgánicos pueden diseñarse de forma que el movimiento de los iones no se congele al solidificarse. Esto abre nuevas posibilidades para dispositivos de estado sólido más seguros y ligeros que funcionan eficientemente en amplios rangos de temperatura”.
Donde más se nota el impacto potencial es en las baterías de estado sólido. Hoy, muchas estrategias tropiezan con un problema muy pedestre: cuando se intenta pasar de un electrolito líquido a uno sólido, la conductividad suele desplomarse y, además, aparece otro enemigo igual de común, el mal contacto entre el electrolito y los electrodos. Un sólido rígido no “moja” el electrodo, no se adapta bien a sus rugosidades, deja huecos microscópicos y esos huecos se traducen en resistencia eléctrica y degradación.
La propuesta aquí tiene una ventaja conceptual fácil de explicar: usar el material mientras es líquido para que rellene y se pegue bien, como si fuera una pasta que entra en todos los poros y, después, solidificarlo para ganar estabilidad mecánica y seguridad sin que el transporte de iones se desplome.
Por consiguiente, las implicaciones van más allá de mejores baterías. Si un electrolito puede funcionar de forma parecida en líquido y en sólido, se abre una zona intermedia muy útil para tecnologías donde el estado físico cambia por temperatura, por deformación o por envejecimiento. Por ejemplo, en electrónica flexible (wearables), sensores en entornos industriales, dispositivos médicos implantables o microelectrónica, donde una fuga, un hinchamiento o un material que se agrieta son problemas serios.
Un electrolito orgánico que mantiene su conductividad al endurecerse podría traducirse en diseños más seguros (menos riesgo de fugas o cortocircuitos), más estables (menos deriva con ciclos térmicos) y más fáciles de fabricar (procesos que aprovechan fases líquidas sin renunciar al acabado sólido).
También permite algo menos obvio pero muy relevante: separar mejor las funciones. Hasta ahora, muchas veces se debía escoger entre “que conduzca bien” y “que sea sólido y robusto”.
Si el mecanismo no depende del estado, se puede diseñar con más libertad la mecánica, la geometría y la integración del dispositivo. Se cambia el conjunto de compromisos que dábamos por inevitables. Y cuando cambias los compromisos, de repente aparecen prototipos que antes ni se intentaban, porque parecían condenados al fracaso desde el minuto uno.
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