transporte de electrolitos

Dentro del acero de un futuro reactor de fusión se forman diminutas burbujas de helio, y en sus paredes se desarrolla un drama químico. Los átomos de cromo y tántalo, como centinelas, ocupan lugares en el borde de la cavidad y cambian las reglas del juego para el hidrógeno.

Un columpio que se balancea en una colina con dientes se comporta de manera extraña: sin empujes, se queda atascado en el primer hueco, pero con golpes rítmicos puede subir, bajar o quedarse quieto. Eso es exactamente lo que vieron los físicos cuando colocaron una mota de polvo en una trampa con fondo en dientes de sierra y comenzaron a empujarla alternativamente con rayos láser.

En un canal anular entre dos anillos dentados cuelgan microesferas: unas de 8 micrómetros de radio, otras de 14. Se enciende la descarga y las partículas se ponen en movimiento. Las pequeñas van hacia un lado, las grandes hacia el otro. Como en un centro comercial donde, para personas de distinta estatura, funcionan escaleras mecánicas que se mueven en direcciones opuestas.

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.

Una gota de agua sobre una película de fluoropolímero al principio se comporta como se espera: reposa y se evapora. Pero cuando se reduce a una cuarta parte de su tamaño inicial, se despega del lugar y en fracciones de segundo recorre una distancia varias veces mayor que su propio radio.

Un mensajero con un paquete entra en un bosque espeso de cuerdas entrelazadas. Debe entregar la carga en el interior, pero por el camino va perdiendo fuerzas y cada paso le cuesta más. Así es una enzima que destruye un gel denso de moléculas biológicas. Hasta hace poco, nadie podía ver al mismo tiempo cómo se mueve el mensajero y cómo se aclara el bosque.

Un lago en sequía no se vacía de inmediato. Primero aparecen en la superficie islotes de tierra firme, que se expanden, se fusionan, y solo después el agua abandona el lecho expuesto. De manera similar se comporta un cristal de mirabilita cuando pierde agua: en su superficie aparecen manchas circulares de sal anhidra que crecen en anchura y luego comienzan a profundizarse.

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.

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.

El cristal estratificado La₃Ni₂O₇ bajo presión se comporta como una orquesta en la que el director cambia el volumen de los distintos grupos de instrumentos. Al comprimirlo, aumentan los saltos de electrones entre capas; parecería que esto debería reforzar la superconductividad. Pero al mismo tiempo, parte de los electrones se vuelve demasiado móvil.

Un pastel de capas en el que cada capa conduce la electricidad de manera distinta: así es el cristal La3Ni2O7, un compuesto de níquel, lantano y oxígeno. La corriente a lo largo de las capas fluye de forma diferente que a través de ellas.

En las enormes nubes de gas enrarecido que llenan el espacio entre las estrellas, algo bulle constantemente. Explosiones de supernovas, flujos que chocan: todo esto agita el plasma. Y en estas ondas, según se ha descubierto, se esconde un mecanismo que da origen a los campos magnéticos.

Los orgánulos sin membrana — diminutas fábricas dentro de la célula — desafían los cánones habituales. Tomemos el nucléolo: aquí se sintetizan los ARN ribosómicos — largas cadenas, tejidas a partir de azúcares carbonados, ricos en grupos fosfato con oxígeno y cosidos por enlaces de hidrógeno, suspendidos en el entorno…

Cuando los físicos hacen circular electrones por un canal ultrapuro de arseniuro de galio a temperaturas de helio, esperan ver un líquido dócil, casi ideal.

El electrolito sólido no es una simple red cristalina, sino una auténtica metrópolis bulliciosa para los iones. Cada acto de conducción se asemeja a un viaje por la ciudad: hay amplias avenidas con baja barrera energética, atascos sin salida en cuellos de botella y desvíos traicioneros donde un ion puede quedarse atrapado.

Un conductor iónico se parece a un autobús abarrotado donde los pasajeros (iones) intentan abrirse paso hacia la salida. Antes se pensaba que se podía salir rápido si el autobús se balanceaba suavemente (red suave) o si los pasajeros estaban en un orden caótico (desorden geométrico). El nuevo trabajo muestra que no son dos trucos distintos, sino el mismo.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

Millones de cilios —finos pelillos— trabajan dentro de los diminutos conductos de nuestro cuerpo. Laten de forma coordinada, como los remos de una galera, y empujan moco o líquido viscoso. Los autores del nuevo estudio propusieron ver el tapiz ciliar como un medio poroso activo: algo así como una esponja que se comprime y se expande por sí misma, impulsando el agua.

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.

Una gota de champú espeso cae al agua y se congela en una hebra caprichosa. Un fluido que a la vez fluye y se estira como un resorte se llama viscoelástico. En él, las partículas diminutas bajo la acción de los ultrasonidos se comportan de manera muy distinta que en el agua.

Al exprimir el kétchup de la botella, luchas contra su terquedad: primero se queda quieto, luego sale disparado de golpe. Es un carácter no newtoniano típico: la resistencia al flujo cambia según la fuerza con la que aprietas. Pero los autores del nuevo estudio han encontrado la manera de eliminar casi por completo esa resistencia.

En un cristal de agua e hidróxido de cesio, los átomos de oxígeno y cesio permanecen en sus lugares, como cuentas en una red rígida. Los átomos de hidrógeno se comportan de manera diferente: son como pasajeros que cambian constantemente de asiento.

El agua en un río a menudo forma remolinos. Pero en los semiconductores, la base de los microchips, los electrones también se convierten en un fluido a bajas temperaturas y alta pureza. Si se crea una cavidad circular, aparecen vórtices, como en un remanso fluvial.

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 pelota rueda hacia una colina, pero no tiene suficiente impulso y vuelve a caer. Así lo dicta la mecánica clásica. Pero en el mundo cuántico, una partícula diminuta a veces atraviesa la colina como si no existiera. Ese truco —el efecto túnel— es algo habitual para el ligero átomo de hidrógeno.

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.

Un trozo de magnetita, esa piedra de hierro tan común, se comporta de manera extraña. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero si se enfría por debajo de menos 150 grados, la resistencia salta de golpe. Este salto, descubierto en 1939, dejó perplejos a los físicos durante casi un siglo. El nuevo trabajo propone la solución.

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.

El cristal que prometía conducir electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente resultó ser como un castillo de naipes: tócalo y se desmorona. Dos compuestos, uno con plata y otro con oro, se consideraban candidatos a superconductores, pero la prueba mostró que ambos no resisten ni siquiera las condiciones normales. En la variante de plata, la red simplemente colapsa.

En un canal delgado de un semiconductor, los electrones no se comportan como individuos solitarios, sino como una multitud en hora punta. Chocan entre sí constantemente, y de esas colisiones depende con qué facilidad el calor y la corriente eléctrica atraviesan el material.

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.

Dentro de la célula hay diminutas gotas líquidas, como gotitas de aceite en el agua. Se forman a partir de proteínas y ARN y sirven para diversas funciones: desde almacenar moléculas hasta acelerar reacciones. Pero si las gotas comienzan a fusionarse entre sí, se formaría un gran charco, y eso rompería toda la organización celular.

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.

Un electrón que vuela a través de un gas se parece a un nadador que intenta cruzar una piscina muy concurrida. Cada colisión con un átomo cambia su rumbo y su velocidad. En el argón denso, hay tantas colisiones que la descripción simple deja de funcionar.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.

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.

La membrana celular no es solo una pared, sino una entrada con torniquetes. En ella se encuentran canales proteicos que dejan entrar y salir iones, generando así una carga eléctrica, como una batería que alimenta nervios y músculos.

Bajo la corteza helada de Encélado burbujea un océano que funciona como una bomba de calor ideal. Empuja el calor del ecuador hacia los polos, gastando mil veces menos energía de la que transporta: como un motor perpetuo incrustado en la luna. Todo el secreto está en la sal.

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.