Se ha batido un récord de velocidad utilizando la nanociencia, lo que podría conducir a muchos avances nuevos, incluida la mejora de la carga de baterías, la biodetección, la robótica blanda y la computación neuromórfica.
Científicos de la Universidad Estatal de Washington y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han descubierto una forma de mover iones más de diez veces más rápido en conductores mixtos de iones orgánicos y electrónicos. Estos conductores combinan las ventajas de las señales de iones utilizadas por muchos sistemas biológicos, incluido el cuerpo humano, con las señales de electrones utilizadas por las computadoras.
Novedades, detalladas en la revista. Materiales avanzadosEstos conductores aceleran el movimiento de los iones mediante el uso de moléculas que atraen y condensan los iones en nanocanales individuales, creando una especie de “superautopista de iones” en miniatura.
“Poder controlar estas señales que la vida utiliza todo el tiempo de una manera que nunca hemos podido hacer es bastante poderoso”, dijo Brian Collins, físico de WSU y autor principal del estudio. “Esta aceleración también podría tener beneficios para el ahorro de energía, lo que podría tener un gran impacto”.
Estos conductores tienen un gran potencial porque permiten que iones y electrones se muevan simultáneamente, lo cual es importante para la carga de baterías y el almacenamiento de energía. También son tecnologías energéticas que combinan procesos biológicos y eléctricos, como la computación neuromórfica, que intenta imitar el pensamiento del cerebro y el sistema nervioso humanos.
Sin embargo, no se comprende bien exactamente cómo estos conductores coordinan el movimiento de iones y electrones. Como parte de la investigación para este estudio, Collins y sus colegas observaron que los iones se movían relativamente lentamente dentro del conductor. Debido a su movimiento coordinado, el movimiento lento de los iones también ralentiza la corriente eléctrica.
“Descubrimos que los iones fluían bien en el conductor, pero tenían que pasar a través de esta matriz, como un nido de ratas de tuberías para el flujo de electrones. Esto ralentizaba los iones”, dijo Collins.
Para solucionar este problema, los investigadores crearon un canal recto de tamaño nanométrico para los iones. Luego, tuvieron que atraer iones hacia él. Para ello recurrieron a la biología. Todas las células vivas del cuerpo humano utilizan canales iónicos para mover compuestos dentro y fuera de la célula, por lo que el equipo de Collins utilizó un mecanismo similar que se encuentra en las células: moléculas que aman u odian el agua.
Primero, el equipo de Collins recubrió el canal con moléculas hidrófilas amantes del agua que atraen iones disueltos en agua, también conocidos como electrolitos. Luego, los iones se mueven a través del canal muy rápidamente, diez veces más rápido que a través del agua sola. El movimiento de iones representa un nuevo récord mundial de movimiento de iones en cualquier material.
Por el contrario, cuando los investigadores cubrieron el canal con moléculas hidrófobas y repelentes del agua, los iones se mantuvieron alejados y, en cambio, se vieron obligados a viajar a través de un “nido de ratas” más lento.
El equipo de Collins descubrió que las reacciones químicas pueden revertir la atracción de las moléculas en los electrolitos. Esto abrirá y cerrará la superautopista de iones, de forma muy parecida a como los sistemas biológicos controlan el acceso a través de las paredes celulares.
Como parte de su investigación, el equipo desarrolló un sensor que puede detectar rápidamente una reacción química cerca del canal porque la reacción abrirá o cerrará la supercarretera de iones, generando un pulso eléctrico que una computadora puede leer.
Esta capacidad de detección a nanoescala podría ayudar a detectar la contaminación en el medio ambiente o activar la activación de neuronas en el cuerpo y el cerebro, que es uno de los muchos usos potenciales del desarrollo, dijo Collins.
“El siguiente paso es aprender todos los procesos fundamentales de cómo controlar este movimiento de iones y llevar este nuevo fenómeno a la tecnología de diferentes maneras”, dijo.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias. Además de Collins, los investigadores del estudio incluyen a la primera autora Tamanna Khan, los coautores Thomas Ferron y Awad Alotaibi de WSU y Terry McAfee del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.