batería de sodio

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 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.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

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.

La sal de mesa es uno de los alimentos más estudiados en medicina. Durante décadas, a los estudiantes se les enseñó el modelo de Arthur Guyton: comes salado, la sangre se diluye, el volumen aumenta temporalmente, los riñones eliminan el exceso de agua de inmediato y todo vuelve a la normalidad. Un esquema elegante, parecido al flotador de una cisterna.

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.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

Tres cuerdas de guitarra en el mismo instrumento, pero las clavijas de cada una giran con distinta fuerza: una cede de inmediato, otra cuesta girarla y la tercera se atasca. Así es más o menos trabajar con puntos cuánticos de silicio: diminutas islas-cubits donde cada una requiere su propio «voltaje-clavija» para sonar bien.

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 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 hidrógeno es un combustible ideal: al usarlo solo produce agua, y no dióxido de carbono. El problema es que el hidrógeno es el gas más ligero, y sus moléculas se filtran de cualquier recipiente. Actualmente, el hidrógeno en los automóviles se almacena en tanques pesados a alta presión, lo que anula las ventajas de peso.

Un panel solar normalmente capta la luz por un solo lado, y por detrás tiene un sustrato metálico continuo. Aquí, la pared trasera se hizo de un material conductor transparente: óxido de indio y estaño. La luz que el panel no absorbe lo atraviesa por completo.

El niobio es un metal que, al enfriarse a unos pocos grados por encima del cero absoluto, conduce la corriente sin resistencia. En los laboratorios se deposita en finas pistas sobre un sustrato, como si se extendiera crema sobre un pastel.

Un ánodo de grafito convencional en una batería de sodio se parece a un garaje estrecho donde apenas cabe un camión grande. El sodio es más grande que el litio y no encaja bien entre las capas de grafito, por lo que las baterías pierden capacidad rápidamente.

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.

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.

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.

El sonido en la superficie de un cristal es como las ondas en el agua, pero que viajan por un sólido. Estas ondas se llaman ondas acústicas superficiales: se mueven cien mil veces más lento que la luz, por lo que pueden comprimirse en segmentos muy cortos y caber en un chip diminuto.

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.

El polvo de hierro calentado a 650–800 grados absorbe hidrógeno como una esponja seca absorbe agua. Pero tras varios ciclos, las partículas se aglutinan en una masa compacta y la esponja deja de funcionar.

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 del sol cae sobre un tejado y en una fina película nacen electrones. Deben llegar a tiempo a los cables antes de enfriarse y perder energía. En el sulfuro de estaño, un material barato y accesible para baterías, se ha logrado captar esa carrera y ese enfriamiento con una nitidez sin precedentes: las imágenes se suceden cada milmillonésima de milmillonésima de segundo.

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 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.

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.

En una batería de litio-azufre, el azufre tiende a disolverse y migrar hacia el otro electrodo, haciendo que la batería pierda carga en decenas de ciclos. Para retener a la fugitiva, se coloca una película separadora entre los electrodos. La película de polietileno común deja pasar los iones de litio, pero con ellos también se cuelan las moléculas de azufre.

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin consumirse en el proceso. El mejor catalizador es aquel en el que cada átomo de metal cuenta: cuanto más pequeñas son las partículas, más átomos hay en la superficie y más activo es el material.

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.

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.

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.