batería de estado sólido

El interruptor hace clic y la luz se enciende. Pero hay interruptores que, con la misma pulsación, pueden encender la lámpara o dejar la habitación a oscuras. Además, recuerdan lo que hicieron la última vez y, a veces, parecen lanzar una moneda al aire para decidir si encienden la luz.

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.

Las baterías agotadas de los coches eléctricos se comportan como músicos caprichosos: uno toca más fuerte, otro más bajo, otro se desafina sin motivo. Montar una batería con ellas al azar es obtener una cacofonía: unas celdas se sobrecargan, otras están paradas, y el sistema falla rápidamente. Los ingenieros convirtieron este problema en una tarea para un director de orquesta.

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 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.

Un cable de cobre bajo corriente es una imagen familiar, pero en su interior ocurre algo inesperado. Una corriente eléctrica intensa no solo calienta el metal: expulsa átomos de sus lugares legítimos, dejando diminutos huecos, como si de un empaquetamiento denso de esferas se sacaran de repente algunas piezas.

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 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.

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.

El hidrógeno es el campeón en energía por kilogramo, pero almacenarlo es un dolor de cabeza. En forma de gas ocupa un volumen enorme, y si se comprime o se enfría hasta licuarlo, se necesitan tanques pesados y mucha energía. Hay un tercer camino: algunos materiales sólidos absorben hidrógeno como una esponja absorbe agua y lo retienen en su interior.

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.

En una batería común, el electrolito es líquido y las partículas cargadas (iones) se mueven libremente. En la versión sólida, se abren paso a través de «corredores» atómicos, como peatones en pasajes estrechos. Para que la batería funcione rápido, se necesita un material con buena conductividad iónica.

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.

El punto brillante en la cámara de vacío no se apaga, aunque hace tiempo que dejaron de iluminarlo. Un ion de iterbio atrapado por campos eléctricos se ha quedado en un estado excitado, como si el electrón en su interior hubiera olvidado cómo volver a su lugar habitual.

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.

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.

Una autopista de alta velocidad por la que los coches circulan casi sin frenar: así es la capa de un semiconductor ultrapuro donde los electrones recorren distancias enormes sin una sola colisión. Los científicos han construido un transistor en el que los electrones corren el doble de rápido que en cualquier dispositivo similar hasta ahora.

Dos péndulos colgados de la misma barra comienzan gradualmente a oscilar al unísono. Pero si tocas ligeramente uno de ellos, el ritmo común cambia, y por ese cambio se puede detectar incluso el más leve toque. Así funcionan aproximadamente los sensores basados en sistemas oscilantes acoplados. En el nuevo trabajo, los investigadores consideraron dos circuitos acoplados, como dos péndulos unidos por un resorte.

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.

La memoria de computadora común gasta energía constantemente para no olvidar lo que se ha guardado. Un superconductor podría almacenar datos sin pérdidas, pero es difícil hacer que conmute. En el nuevo trabajo, el superconductor está intercalado entre dos aislantes magnéticos.

Los relojes atómicos convencionales se basan en la espectroscopía, el conteo de las oscilaciones de los electrones. Los relojes nucleares de torio-229, en cambio, apuntan al propio núcleo.

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.