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 un conductor mixto de iones y electrones orgánicos. Estos conductores combinan las ventajas de la señalización electrónica utilizada por las computadoras con la señalización iónica utilizada por muchos sistemas biológicos, incluido el cuerpo humano.
El nuevo desarrollo, detallado en la revista. Contenido avanzadoacelera el movimiento de los iones a través de estos conductores mediante el uso de moléculas que atraen y concentran los iones en un nanocanal distinto, creando una especie de “superautopista de iones” en miniatura.
“Poder controlar las señales que la vida utiliza todo el tiempo de una manera que nunca hemos podido hacer”, dijo Brian Collins, físico de WSU y autor principal del estudio. “Esta aceleración también podría beneficiar al almacenamiento de energía, lo que podría tener un gran impacto”.
Este tipo de conductores tienen un gran potencial porque permiten el movimiento tanto de iones como de electrones al mismo tiempo, lo cual es importante para la carga de baterías y el almacenamiento de energía. También crean tecnologías energéticas que combinan mecanismos biológicos y eléctricos, como la computación neuromórfica, que intenta imitar patrones de pensamiento en el cerebro y el sistema nervioso humanos.
Sin embargo, no se comprende bien 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 mueven relativamente lentamente dentro del conductor. Debido a su movimiento coordinado, el movimiento lento del ion también ralentizó la corriente eléctrica.
“Descubrimos que los iones fluían perfectamente bien en el conductor, pero tenían que pasar a través de la matriz, como un nido de tuberías para que los electrones fluyeran. Esto estaba ralentizando los iones”, dijo Collins.
Para solucionar este problema, los investigadores crearon un canal directo de tamaño nanométrico únicamente para iones. Luego, tuvieron que atraer los iones. Para ello recurrió a la biología. Todas las células vivas, incluidas las del cuerpo humano, utilizan canales iónicos para mover compuestos dentro y fuera de las células, por lo que el equipo de Collins utilizó el mismo mecanismo que se encuentra en las células: Moléculas que aman u odian el agua.
Primero, el equipo de Collins revistió el canal con moléculas hidrófilas amantes del agua que atraían iones disueltos en agua, también conocido como electrolito. Luego, los iones se mueven muy rápidamente a través del canal, diez veces más rápido que a través del agua sola. La movilidad de los iones representa un nuevo récord mundial de velocidad de los iones en cualquier material.
Por el contrario, cuando los investigadores cubrieron el canal con moléculas hidrófobas y repelentes del agua, los iones fueron obligados a pasar a través de un “nido de ratas” más lento.
El equipo de Collins descubrió que las reacciones químicas pueden cambiar la atracción de las moléculas en un electrolito. Esto abrirá y cerrará la autopista 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 creó un sensor que puede detectar instantáneamente una reacción química cerca del canal cuando la reacción abre o cierra la superautopista de iones, generando un pulso eléctrico que puede ser leído por una computadora.
Esta capacidad de detección a nanoescala podría ayudar a detectar contaminantes en el medio ambiente o ayudar a que las neuronas se activen en el cuerpo y el cerebro, solo uno de los muchos usos potenciales para este desarrollo, dijo Collins.
“El siguiente paso es aprender realmente todos los mecanismos fundamentales para controlar este movimiento de iones y llevar este nuevo fenómeno a la tecnología de diferentes maneras”, dijo.
Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias. Además de Collins, los investigadores del estudio incluyen a la primera autora Tamana Khan, los coautores Thomas Fearon y Awad Al-Taibi de WSU, así como Terry McAfee del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
