electrolito

En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.

Imagina una hebra larga encerrada en una esfera con paredes cargadas. La hebra es el ARN del virus; la esfera, su cápside proteica. La hebra intenta acomodarse de modo que sus cargas queden lo más cerca posible de las cargas opuestas en la pared.

Si apagas la vitrocerámica, el agua deja de hervir casi al instante. En el mundo de la catálisis se esperaba algo parecido: se detiene la reacción y todas las partículas intermedias desaparecen al momento. Pero unas nuevas observaciones sobre migas de platino han mostrado algo muy distinto.

En cada batería o supercondensador hay un actor invisible: el pegamento polimérico. Une las partículas del material activo y ayuda a que se adhieran al colector de corriente. Antes se consideraba simplemente masa inerte: está ahí, con tal de que no estorbe. Pero en este trabajo, el pegamento pasó a primer plano.

En las oscuras nubes interestelares donde nacen nuevas estrellas, la química comienza con una partícula diminuta: el ion trihidrógeno (H₃⁺). Choca con otros átomos y desencadena una cascada de reacciones que construyen moléculas cada vez más complejas. Durante mucho tiempo se pensó que la reacción principal que lo produce —la colisión de H₂⁺ con H₂— solo ocurría en la fase gaseosa.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

En un vaso de agua caen dos granos de sal. Se disuelven, y los iones de sodio y cloro se dispersan por todo el volumen. La verdad escolar es simple: las cargas iguales se repelen, las diferentes se atraen. Pero experimentos recientes con diminutas esferas en líquidos han revelado un panorama que rompe esta regla.

Un memristor es una resistencia con memoria: tras cortar la corriente, conserva su resistencia. En su interior, una fina película de óxido metálico está intercalada entre dos electrodos metálicos.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

Una molécula de agua, al encontrarse cerca de un anillo de carbono, comienza a vibrar — y de inmediato queda bajo la dirección de un director de orquesta invisible. La nube electrónica del anillo, como un maestro, atenúa algunas vibraciones y amplifica otras.

La superficie de Europa es una armadura de hielo que es continuamente bombardeada por partículas cargadas de la magnetosfera de Júpiter. Los electrones chocan contra la red cristalina del hielo, pierden energía y desencadenan reacciones químicas. Antes no existía una herramienta que mostrara cuán profundamente perfora este bombardeo el hielo.

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.

Una capa delgada de semiconductor a baja temperatura se comporta como una cacerola con miel: los electrones no fluyen individualmente, sino como un líquido espeso. Si se hace pasar una corriente alterna a través de dicha capa, la resistencia responde con una curva suave.

Dentro de cualquier batería hay un líquido electrolito, y de cómo se aglomeran los iones en él depende cuánta energía entregará la batería y cuánto durará. Antes, para asomarse a esa multitud, había que montar experimentos largos o lanzar cálculos ultraprecisos que devoran semanas de tiempo de computación.

La membrana para la electrólisis del agua se parece a una esponja empapada en agua. En su interior deben moverse libremente los iones hidróxido, partículas que transportan la carga eléctrica. Pero cómo se mueven exactamente fue durante mucho tiempo un misterio: es demasiado complicado seguir a cada ion en un experimento.

Un electrolito sólido es como una esponja para los iones de litio. En una batería de litio convencional, los iones nadan en un líquido, como peces en una pecera. En una batería de estado sólido, tienen que abrirse paso a través de la red cristalina, como por estrechos pasillos. Cuantos más huecos haya en la red, más rápido llegan los iones de un electrodo al otro.

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.

El oro sobre carbono es una pareja clásica en química. Precisamente estos materiales aceleran reacciones importantes, como la obtención de cloruro de vinilo para plásticos. Pero hasta ahora nadie había visto en detalle cómo se comportan los átomos de oro sobre la superficie del grafito cuando todo está sumergido en un líquido.

Las baterías actuales con electrolito líquido pueden tener fugas o incendiarse. Los electrolitos poliméricos, sólidos como el plástico, resuelven ese problema, pero los iones se mueven más lento y la batería pierde potencia.

El hidrógeno es el combustible más ligero, y su conversión en electricidad sobre la superficie de un metal recuerda a un partido de ping-pong: los átomos de hidrógeno se unen y se desprenden del electrodo. Pero el marcador de este juego no depende de la acidez de la disolución como se esperaba.

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.

La sal en un vaso de agua es una multitud de partículas cargadas. Mientras hay mucha agua, cada partícula flota por su cuenta, rodeada de un denso abrigo de moléculas de agua. Pero si sigues echando sal, el agua empieza a no alcanzar para todos, y las partículas comienzan a buscarse. Primero se enganchan en pares, luego en racimos más grandes.

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.

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.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.

Dos gotas de agua tiemblan sincronizadas porque las une una pajita. Así ocurre con las partículas entrelazadas: su unidad quizá se sostiene gracias a un agujero de gusano microscópico.

Un láser en un cristal de niobato de litio cobra vida con una corriente de 40 miliamperios. Su luz se divide en dos haces, cada uno atraviesa una guía de ondas de seis milímetros, y allí nacen pares de fotones gemelos. Un haz gira la polarización de sus gemelos, y luego ambas corrientes se fusionan en un cauce común.