Cuando los iones sacuden su jaula

Cómo la investigación de las oscilaciones de iones puede conducir a mejores baterías

07.04.2020 - Alemania

Los electrolitos juegan un papel clave en muchas áreas: Son cruciales para el almacenamiento de energía en nuestro cuerpo, así como en las baterías. Para liberar energía, los iones - átomos cargados - deben moverse en un líquido como el agua. Hasta ahora el mecanismo preciso por el cual se mueven a través de los átomos y las moléculas del electrolito, sin embargo, ha permanecido en gran parte desconocido. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros han demostrado ahora que la resistencia eléctrica de un electrolito, que está determinada por el movimiento de los iones, se puede rastrear hasta las vibraciones microscópicas de estos iones disueltos.

En química, la sal de mesa común también se conoce como cloruro de sodio. Si esta sal se disuelve en el agua, los átomos de sodio y de cloruro se disuelven como iones cargados positiva o negativamente, que pueden moverse libremente en el agua: Se crea una solución electrolítica. Los campos eléctricos permiten que estas partículas cargadas sean transportadas dentro de la solución y así proporcionar una corriente eléctrica. Estas corrientes son la base de la tecnología de las baterías o del almacenamiento de energía en las células vivas.

Para aumentar las corrientes dentro de las baterías, típicamente se aumenta el número de iones disueltos. Sin embargo, en este caso, los iones chocan más frecuentemente con otros iones en el líquido, lo que lleva a un aumento de la resistencia eléctrica.

Para lograr mayores corrientes en las soluciones electrolíticas, los científicos del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, dirigido por el Dr. Johannes Hunger y el Dr. Yuki Nagata (departamento del Prof. Dr. Mischa Bonn), han investigado ahora las soluciones electrolíticas utilizando tanto experimentos como simulaciones por ordenador. En colaboración con científicos de Berlín y Graz, han investigado experimentalmente el movimiento microscópico de los iones. Fueron capaces de demostrar que los iones - antes de que puedan moverse en el líquido - son primero atrapados por las moléculas circundantes en una especie de jaula y oscilan de un lado a otro dentro de esta jaula, similar a un columpio. Este movimiento ultrarrápido, que ocurre entre 1000 mil millones y 10000 mil millones de veces por segundo, podría ser analizado con la ayuda de pulsos de láser ultra cortos.

Los científicos demostraron que la máxima desviación de los iones oscilantes - similar a la longitud de la cadena de un columpio - está relacionada con la máxima corriente eléctrica posible que se puede obtener en el electrolito. Estos hallazgos experimentales se confirmaron mediante simulaciones por ordenador. Así, los investigadores pudieron resolver un enigma que tiene más de 100 años de antigüedad: La resistencia de una solución electrolítica depende no sólo del número de iones sino también de su tamaño y forma. Los científicos han demostrado ahora que las diferentes resistencias de los iones de diferente forma y tamaño pueden ser rastreadas a diferentes jaulas y vibraciones de jaula.

Tales conocimientos moleculares del movimiento de los iones son esenciales para entender el transporte de cargas en los electrolitos. Los experimentos muestran que cuanto más fuerte vibran los iones en su jaula, mejor conduce la electricidad una solución electrolítica: Cuanto más fuerte vibran los iones en la jaula, más se sacuden en su jaula y más fácilmente pueden escapar de esta jaula.

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Publicación original

Balos, V., Imoto, S., Netz, R. R., Bonn, M., Bonthuis, D. J., Nagata, Y., et al. ; "Macroscopic conductivity of aqueous electrolyte solutions scales with ultrafast microscopic ion motions"; Nature Communications; 2020, 11: 1611

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