cátodo

En los cráteres polares de la Luna, donde el Sol nunca asoma, el regolito podría acumular carga eléctrica durante décadas, oculta en profundidad. Es como una cuenta bancaria donde los ingresos y el saldo no coinciden: la partícula entrega energía, pero la carga no siempre se queda en su lugar.

El río se bifurca. Un brazo es ancho y rápido; el agua fluye suavemente, pero al aumentar la temperatura la corriente se ralentiza: aparecen remolinos y olas. El segundo brazo es estrecho, con rápidos, donde el agua salta de piedra en piedra. Este flujo, por el contrario, se vuelve más vivo con el calor.

En un cristal, los electrones no se distribuyen al azar. Sus ondas obedecen la simetría de la red, como las ondas en el agua adoptan la forma del aro que se lanza en ella. El nuevo trabajo muestra que, en puntos de alta simetría, esas ondas deben tener nodos: lugares donde la densidad electrónica es estrictamente cero.

Cualquier batería, desde la de tipo AA hasta la cuántica, es simple: hay una reserva de energía y una forma de extraerla. En el mundo cuántico, esa 'forma' se ve como una conmutación cuidadosa entre estados de una partícula, similar a mover una canica de un estante alto a uno bajo.

Los cristales pegados por fuera y por dentro de una pared metálica funcionan como un canal invisible. Uno, al recibir corriente, empieza a vibrar, y esas vibraciones, como ondas en el agua, se propagan en todas direcciones por el metal. El cristal interior capta ese temblor y vuelve a generar electricidad.

Las baterías agotadas de los coches eléctricos se comportan como músicos caprichosos: uno toca más fuerte, otro más bajo, otro se desafina sin motivo. Montar una batería con ellas al azar es obtener una cacofonía: unas celdas se sobrecargan, otras están paradas, y el sistema falla rápidamente. Los ingenieros convirtieron este problema en una tarea para un director de orquesta.

Una batería de litio se parece a una pequeña ciudad: los iones de litio son los habitantes que se mudan entre los barrios-electrodos, generando corriente.

En los dispositivos cuánticos de diamante hay un diminuto defecto: el centro de nitrógeno-vacancia (un átomo de nitrógeno más una vacante en lugar de un átomo de carbono). Funciona como un interruptor que chasquea espontáneamente de un lado a otro: puede llevar un electrón extra o no llevarlo, y de eso depende si brilla o no.

El envejecimiento de una batería se parece a la fatiga del metal: la grieta madura en el interior mucho antes de que la pieza se rompa. Normalmente nos enteramos del problema cuando la capacidad cae por debajo del 80%, pero para entonces los daños ya son irreversibles.

Las baterías cuánticas aprovechan los efectos cuánticos para superar las limitaciones de los dispositivos convencionales ligadas a la entropía, medida del desorden y las pérdidas de energía. Es como un balde bajo un chorro potente: se llena rápido. Pero el balde está agujereado: el entorno succiona la energía constantemente.

Una batería cuántica no es una caja con química, sino una cadena de pequeños imanes (espines) capaz de almacenar energía. Su truco principal: cargar muchas partículas a la vez, aprovechando su entrelazamiento cuántico. Pero hay un inconveniente: no cualquier entrelazamiento sirve.

Una pelota grande y pegajosa, si la arrojas sobre un estante polvoriento, rebotará y levantará polvo, pero si la haces rodar despacio, recogerá cada mota de suciedad. Así se comportan los excitones de Rydberg, unos 'átomos' gigantes dentro del cristal, llamados así en honor a Johannes Rydberg.

Una batería normal de teléfono respira, pero no aire, sino contacto. Dentro de un sólido, donde no hay líquidos, el litio se aprieta contra el electrolito (la sustancia que conduce iones) al cargarse, y se separa al descargarse, como un pulmón al inhalar y exhalar.

Una batería de iones de litio se parece a un edificio de varias plantas donde en cada piso viven iones de litio. Cuando se carga la batería, los iones se mudan de un piso a otro, y todo el edificio se calienta un poco. Normalmente, ese calor se disipa de manera uniforme, como el de un suelo radiante. Pero a veces en un punto hace demasiado calor, y entonces todo el edificio puede arder en llamas.

Una batería de litio es como un sándwich: dos rebanadas de pan son los electrodos y el relleno de en medio es el electrolito, por donde los iones de litio van y vienen. En las baterías normales, el relleno es líquido, como una salsa, y puede gotear o incendiarse.

El agua descompuesta por electricidad en hidrógeno y oxígeno es un viejo sueño de combustible limpio. Pero en el camino se interponen diminutas burbujas de gas: recubren los electrodos como la espuma en las paredes de un vaso de refresco y dificultan que la corriente haga su trabajo.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

Un filamento metálico del grosor de un cabello atraviesa la cerámica como una raíz que rompe el asfalto. En las baterías de estado sólido, estos filamentos se llaman dendritas y aparecen cuando la corriente de carga supera un umbral crítico. El electrolito cerámico es sólido pero frágil, como el vidrio.

Una batería solar es como un corazón: si la obligas a latir en un ritmo equivocado, se cansa rápido. Normalmente, las celdas se prueban aplicando voltaje inverso, pero en la vida real la sombra de una hoja o de un pájaro hace que las celdas vecinas conduzcan corriente ajena.

Un metal es un mar de electrones que se mueven casi libremente y chocan solo de vez en cuando. Pero en algunos materiales, ese mar se vuelve de repente viscoso e impredecible: los electrones dejan de comportarse como partículas independientes. Los físicos llaman a este estado 'no fermi-líquido', y sigue siendo un misterio.

Una diminuta esfera de vidrio flota en un haz láser, como una mota de polvo en la luz del sol. Dentro de ella hay plomo radiactivo que, de vez en cuando, se desintegra. Cada desintegración expulsa partículas cargadas, y la esfera pierde o gana una carga eléctrica minúscula.

La batería cuántica funciona como una esponja que absorbe luz, pero no la libera sin un exprimido forzado. La inspiración provino de las trampas solares naturales de las bacterias: al capturar fotones solares, demostrado por espectroscopía, transmiten energía casi sin pérdidas.

Una batería de litio es como una casa con un trastero: al cargar, el litio entra; al descargar, sale. Pero si el trastero se llena de trastos, parte del litio se queda dentro para siempre. De qué metal estén hechas las paredes del trastero depende cuánto litio regrese. Los autores del estudio tomaron cuatro metales: aluminio, magnesio, plata y cobre. Cada uno absorbe el litio a su manera.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

En una bombilla común, la luz nace cuando un electrón y un hueco se encuentran. En el nuevo material, se separan deliberadamente, como si se pusiera un torniquete entre ellos en una estación de metro. Ese torniquete es un campo eléctrico incorporado que surge porque los átomos de azufre y selenio en el cristal están dispuestos de forma asimétrica: azufre arriba, selenio abajo.

Las baterías suelen tener dos terminales: ánodo y cátodo. Los ingenieros intentan eliminar el ánodo de las baterías de estado sólido (con electrolito sólido) para hacerlas más ligeras y de mayor capacidad. Durante la carga, el metal debería depositarse por sí solo en una capa sobre el contacto, y durante la descarga, desaparecer por completo.

Una batería cuántica es un dispositivo que almacena energía en los estados cuánticos de las partículas. En el nuevo estudio, la batería se modeló con un par de cúbits, los portadores de información más pequeños, capaces de estar en el estado «cero», «uno» o en una mezcla de ambos.

El manganeso son los ladrillos de la pared, y el zinc es un invitado que llega y se aprieta entre ellos. Si el invitado se sienta incómodo, empuja un ladrillo fuera de la pared. Algo así ocurre en una batería de zinc-ion: durante la descarga, los iones de zinc se insertan en la red cristalina del óxido de manganeso, y el manganeso comienza a filtrarse a la solución.

Una camiseta vieja se disolvió en una solución alcalina, se obtuvo un gel, y este se convirtió en el corazón del acumulador de energía. El segundo componente se hizo a partir de quitosano, una sustancia presente en los caparazones de los camarones. Nada de metales: solo algodón reciclado y mariscos.

El sodio es vecino del litio en la tabla periódica, pero en la corteza terrestre hay cientos de veces más y es mucho más barato. Por eso, las baterías de sodio podrían reemplazar a las de litio en vehículos eléctricos y acumuladores de energía. El problema es que el sodio es más grande que el litio y le cuesta más abrirse paso a través de la red cristalina del cátodo.

La radiación de terahercios se sitúa entre las microondas y la luz infrarroja. Atraviesa la ropa, el papel y el plástico, pero no el metal ni el agua. Por eso se usa en escáneres de seguridad y en imagen médica. Para ver la polarización de esa radiación se necesita un detector.

Una gota de agua corre por la hoja de taro como sobre un piso encerado. No solo se desliza: acumula electricidad. Hace treinta años, los científicos explicaron por qué las hojas de loto no se mojan: su superficie está cubierta de microprotuberancias entre las que queda atrapado el aire. Pero ahora se ha descubierto que el agua sobre las hojas tiene otra fuerza oculta.

En química hay dos mundos: en uno, el catalizador es una partícula sólida sobre cuya superficie ocurre la reacción; en el otro, es una molécula disuelta donde todo sucede alrededor de un único centro metálico. Estos mundos rara vez se encuentran. Pero en un nuevo trabajo, han convergido.

El diamante no es solo una joya. Este cristal puede conducir electricidad cuando aparecen portadores de carga libres: electrones y huecos. Pero, ¿qué tan rápido se mueven? En los artículos científicos, las cifras varían decenas de veces. Un laboratorio reporta una velocidad de 1000 cm²/(V·s), otro de 4000.

Una hucha en la que las monedas caen fácilmente, pero solo se pueden sacar rompiéndola. Algo parecido ocurre con un nuevo material para baterías de sodio. Acepta con gusto los iones de sodio durante la carga, pero al descargarse apenas devuelve nada.

Un trozo de cromo expuesto al aire se cubre en un minuto con una armadura invisible: una película de óxido. Esta protege al metal de la corrosión, pero para una batería es un problema: la película no deja pasar los iones de cromo y la corriente no fluye. Los científicos mezclaron cinco metales: cromo, bismuto, cobre, estaño y níquel.

Las baterías cuánticas pierden energía debido a la entropía: la tendencia al desorden. Así como los cables dispuestos en paralelo captan interferencias, los contactos de la batería con el entorno crean canales de fuga. La solución es trenzar en una trenza los átomos gigantes que sirven de cargador y acumulador.

Una batería cuántica no es una caja con electrolito, sino un puñado de átomos o circuitos superconductores cuya energía se almacena en estados excitados. Se puede cargar en fracciones de segundo gracias a efectos cuánticos colectivos.