electrolito sólido

La cámara no captura una carrera, sino una danza de átomos. En el dióxido de vanadio, la transición del estado aislante al metálico ocurre en billonésimas de segundo, pero hasta ahora nadie había visto cómo se mueven exactamente los átomos de vanadio y oxígeno.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

Una gota de agua con sal disuelta se seca sobre una mesa. La sal no se deposita en cualquier lugar: primero aparecen cristales en el borde, formando un anillo, como los posos del café en el fondo de una taza. Este comportamiento lo conoce cualquiera que haya visto la marca de una gota seca. Pero, ¿qué ocurre si en la gota viven bacterias que saben nadar?

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

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.

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.

Un superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

En el lodo turbio, entre dos electrodos, se forman largas cadenas de bacterias, finas como un cable microscópico. Cada uno de estos filamentos conduce corriente a lo largo de un centímetro entero, una verdadera maratón para un microbio.

Un diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

Un cocinero vierte jarabe de azúcar caliente sobre una mesa fría y este se solidifica en cristales. Así es como los ingenieros imaginaban la solidificación del metal: el líquido se convierte directamente en un conjunto de granos cristalinos. Pero una filmación en primer plano mostró que entre lo líquido y lo sólido se intercala otra etapa.

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.

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.

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 láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

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 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.

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.

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

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.

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.

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.

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.

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.

El cristal de óxido de osmio OsO₂ se parece a un adolescente testarudo: en condiciones normales se comporta como un metal común, pero basta con apretar con más fuerza y su carácter cambia.

Dentro de una celda de combustible, los protones deben correr rápidamente a través del material sólido, como pasajeros a través de torniquetes en hora punta. Si los torniquetes son escasos y estrechos, la corriente es débil. Antes, para encontrar un material con buena conductividad protónica, los químicos probaban compuestos casi a ciegas, uno por uno.

Un cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

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.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin pérdidas, pero normalmente sus propiedades son fijas. En este nuevo trabajo, los científicos construyeron un dispositivo similar a un cruce de dos pistas superconductoras.

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.

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.

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.

En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito.