ión de litio

Agua y metal: una alianza que la humanidad lleva doscientos años usando, pero que aún no ha aprendido a controlar del todo. En una batería común, el electrodo de zinc se va degradando poco a poco: durante la carga, el metal se deposita en crecimientos irregulares, semejantes a cristales de escarcha ramificados.

El átomo de helio es como una cuerda bien tensa: cada nota que emite está estrictamente predicha por la teoría. Pero en los últimos años, las mediciones precisas de una de esas "notas" —la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo de helio excitado— han comenzado a sonar un poco más agudas de lo debido.

Una neurona que transmite una señal se parece a una pequeña batería que se descarga y recarga rápidamente. Durante casi 70 años se creyó que la fase de recarga dependía de una especie de «válvula de potasio» que se abría con retraso.

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.

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.

En el silencio absoluto hay que oír caer una pluma. Pero alguien no deja de hacer ruido con una bolsa. Para el observatorio espacial LISA, ese "ruido" serán las partículas cargadas procedentes del espacio.

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.

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.

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.

Las baterías comunes pierden carga, como se enfría el té. La batería cuántica funciona de otra manera: su corazón es una diminuta cavidad con fotones que se mueven frenéticamente. Si se la irradia con pares especiales de fotones, la energía fluye a una cadena de celdas-cúbits instantáneamente — como un columpio que se acelera con empujones fuertes.

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.

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.

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 mota de polvo flota en el aire, sostenida por un rayo de luz invisible. A su alrededor hay aire normal, pero a veces salta una pequeña chispa en la mota. Por primera vez, los científicos han observado de cerca estas descargas y han descubierto que no las provoca la propia mota, sino visitantes invisibles del espacio y de la tierra.

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.

Un transistor normal de un teléfono se crea en una cámara de vacío, donde los átomos se depositan capa a capa. Es caro y lento. Pero el óxido de indio se puede imprimir como tinta: a partir de una gota de metal líquido que, al aire, se cubre sola con una fina película de óxido. Los autores tomaron indio, lo fundieron y lo extendieron sobre un sustrato a 250 grados.

En los primeros minutos del Big Bang, el Universo preparó un cóctel de hidrógeno, helio y una pizca de litio.

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 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.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su nota sin desafinarse. Pero los cúbits superconductores tienen un problema común: en sus electrodos se acumulan cargas aleatorias y la «nota» se desvía. Los ingenieros llaman a esto deriva de la compensación de carga y normalmente luchan contra ello durante años.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

Dos teléfonos con la misma batería: uno se carga en un sótano con poca señal y el proceso es más lento. El porcentaje de carga actúa como la manecilla del reloj. Los físicos trasladaron esta misma lógica al mundo cuántico. Su reloj es una batería microscópica que acumula energía.

Dentro de cada diminuta partícula que compone el cátodo de una batería de iones de sodio, el sodio se distribuye de manera desigual, como si el azúcar en el té se hubiera apelmazado en grumos. Esto reduce la capacidad y la vida útil de la batería.

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.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico debe entrar exactamente a tiempo. El más mínimo susurro en la sala desconcierta al violinista y la melodía se desmorona. En los chips de silicio, el papel de esos susurros lo desempeña el ruido eléctrico: fluctuaciones aleatorias de la carga dentro del material. Hacen que los bits cuánticos se equivoquen.

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.

La luz en los semiconductores nace de pares de cargas: un electrón y un hueco que se atraen mutuamente, como un imán a la puerta de la nevera. Ese par se llama excitón. Si al par se le añade otra carga, se obtiene un trión: un trío de tres partículas.

El litio en una batería a veces se comporta como la hiedra en una fachada: en lugar de una capa uniforme, emite finos brotes afilados. Estas agujas pueden perforar el separador dentro del acumulador y provocar un cortocircuito. Por eso, los ingenieros buscan formas de lograr que el litio crezca de manera tranquila.

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.

Se sumerge una lámina de grafeno en una disolución de sulfato de sodio, una sal común parecida a la de mesa. Junto a la superficie, el agua deja de ser homogénea: se organiza en capas, como una pila de tortitas. Entre estas capas y dentro de ellas se distribuyen los iones, las partículas cargadas en las que se disocia la sal.

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.

Un haz de iones pesados en un acelerador se parece a una multitud que se empuja con los codos: cuanta más gente, más ancha es la multitud. Las partículas cargadas se repelen, y con corrientes superiores a unos pocos microamperios el haz se desparrama y pierde su forma.

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.