Según un nuevo estudio publicado por investigadores químicos en la revista Chem, al formular tintes fluorescentes cargados positivamente en una nueva clase de materiales llamados celosías de aislamiento iónico de moléculas pequeñas (SMILES), el brillo de un compuesto se puede transferir sin problemas a un estado sólido y cristalino.

El avance supera una barrera para el desarrollo de sólidos fluorescentes, lo que da como resultado los materiales más brillantes conocidos hasta la fecha.

Sólidos fluorescentes

Si bien actualmente hay más de 100.000 tintes fluorescentes diferentes disponibles, casi ninguno de estos se puede mezclar y combinar de manera predecible para crear materiales ópticos sólidos. Los tintes tienden a 'apagarse' cuando entran en un estado sólido debido a cómo se comportan cuando se empaquetan muy juntos, disminuyendo la intensidad de su fluorescencia para producir un brillo más tenue.

Para superar este problema, se ha mezclado un tinte de color con una solución incolora de cianoestrella, una molécula de macrociclo en forma de estrella que evita que las moléculas fluorescentes interactúen a medida que la mezcla se solidifica, manteniendo intactas sus propiedades ópticas.

A medida que la mezcla se convirtió en un sólido, se formaron SMILES, que luego los investigadores convirtieron en cristales, precipitaron en polvos secos y finalmente se hilaron en una película delgada o se incorporaron directamente en polímeros. Dado que los macrociclos de cianoestrellas forman bloques de construcción que generan un tablero de ajedrez en forma de celosía, los investigadores podrían simplemente conectar un tinte en la celosía y, sin más ajustes, la estructura tomaría su color y apariencia.

Según Amar Flood, químico de la Universidad de Indiana y coautor principal del estudio, junto con Bo Laursen, de la Universidad de Copenhague:

Estos materiales tienen aplicaciones potenciales en cualquier tecnología que necesite fluorescencia brillante o requiera diseñar propiedades ópticas, incluida la recolección de energía solar, bioimágenes y láseres.

Más allá de estas, existen aplicaciones interesantes que incluyen la conversión ascendente de luz para capturar una mayor parte del espectro solar en las células solares, materiales de conmutación de luz utilizados para el almacenamiento de información y vidrio fotocrómico, y luminiscencia polarizada circularmente que se puede utilizar en la tecnología de visualización 3-D.

En aras de mejorar el rendimiento de las baterías de litio actuales, se están cambiando algunos de los componentes líquidos de la misma por sólidos.

Conocidas como baterías de estado sólido, estos dispositivos experimentales podrían extender en gran medida la vida útil de los vehículos eléctricos y dispositivos móviles al aumentar significativamente la densidad de energía acumulada en su interior.

Una carga cada tres días

Investigadores del MIT ahora han informado de un nuevo tipo de arquitectura de batería de estado sólido que supera algunas limitaciones de los diseños actuales.

Esta nueva arquitectura implica una combinación de materiales sólidos conocidos como conductores iónicos-electrónicos mixtos (MIEC) y aisladores de iones de litio y electrones (ELI). Estos se construyeron en una arquitectura tridimensional en forma de panal, con una serie de tubos a nanoescala hechos de MIEC que forman la pieza crucial del rompecabezas.

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Esta nueva batería podría cargar un coche eléctrico al 80 % en apenas diez minutos

Estos tubos se infunden con metal de litio sólido para formar el ánodo de la batería. Y debido a que hay espacio adicional dentro de cada uno de estos tubos, el metal de litio tiene espacio libre para expandirse y encogerse durante la carga y descarga. De esta manera, el material recorre una línea fina entre un material sólido y líquido, moviéndose de manera muy parecida a un líquido pero manteniendo una estructura cristalina sólida durante todo el proceso.

El equipo ha llevado a cabo experimentos poniendo a prueba la arquitectura de la batería de estado sólido, logrando soportar 100 ciclos de carga y descarga sin ningún signo de fractura. Más adelante, la tecnología podría generar ánodos que pesen alrededor de una cuarta parte de los diseños actuales, pero con la misma capacidad de almacenamiento.

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Baterías de litio y azufre: un nuevo proyecto que promete que no tendremos que cargar nuestro smartphone en cinco días

Combinado con otros diseños de vanguardia para el cátodo, el equipo asegura que podrían así existir teléfonos móviles que solo necesitaran cargarse una vez cada tres días.

La electromovilidad podría dar un salto revolucionario en cuanto a autonomía en apenas cinco años gracias a una nueva tecnología de baterías para coches eléctricos. El salto innovador de tales baterías reside en el hecho de que están constituidas por ánodos de litio puro.

Hasta ahora, el objetivo había sido duplicar la densidad energética de las baterías y reducir los costes a la mitad a finales de esta década, pero las nuevas células de estado sólido duplicarían más del doble la densidad energética para el año 2020, también reduciendo los costes de producción. Un coche eléctrico comparable que tenga actualmente una autonomía de 150 kilómetros, sería capaz de recorrer más de 300 sin recargar y a un coste más bajo.

Para que este avance se haga realidad, Bosch ha adquirido la start-up norteamericana Seeo Inc. Tal y como ha señalado Volkmar Denner, presindente del Consejo de Administración de Robert Bosch GmbH:

Las células de estado sólido pueden ser una tecnología rompedora. La incipiente tecnología se está encontrando con los amplios conocimientos en sistemas y los recursos financieros de una empresa multinacional.

Ánodo de litio puro

El rendimiento de un dispositivo de almacenamiento de energía se puede mejorar a través de diversos métodos. Por ejemplo, en la química celular, el material con el que se fabrican los polos positivo y negativo (cátodo y ánodo) juega un papel importante.

En las actuales baterías de iones de litio, una de las razones por las que la capacidad de energía es limitada se debe a que el ánodo está fabricado con un alto porcentaje de grafito. Utilizando la tecnología de estado sólido, Bosch puede fabricar el ánodo de litio puro, lo que aumenta considerablemente la capacidad de almacenamiento. Además, las nuevas células funcionan sin líquido iónico, lo que significa que no son inflamables.

Según ha apuntado Yi Cui, profesor de Ciencias de los Materiales e Ingeniería:

De todos los materiales que alguien pudiese usar en un ánodo, el litio tiene tiene el mayor potencial. Algunos lo llaman el Santo Grial, dado que es muy ligero y tiene la más alta densidad de energía.

Para el año 2025 se prevé que aproximadamente el 15% de todos los coches nuevos construidos en el mundo incorporarán, al menos, un sistema de propulsión híbrido. En Europa, más de un tercio de todos los coches nuevos serán accionados eléctricamente.

A través de Menéame, hemos conocido un interesante vídeo en el que se muestra un experimento químico muy curioso realizado con acetato de sodio, un producto químico muy utilizado en la industria sea química, textil o alimentaria.

En el vídeo nos muestran el proceso con el que, con una olla, un poco de agua y acetato de sodio, podemos conseguir un líquido que sólo con tocarlo se convertirá en sólido.

El proceso es el siguiente, primero debemos poner a hervir una olla con agua, una vez llegue a punto de ebullición, añadimos el acetato y removemos continuamente hasta que llegue el punto de saturación y el agua no admita más disolución.

Pasamos el contenido de la olla a un recipiente que enfriaremos en la nevera y ya está, ya tienes un líquido que se convierte en sólido simplemente tocándolo.

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