Como sugiere el nombre, la mayoría de los dispositivos electrónicos actuales funcionan mediante el movimiento de electrones. Pero los materiales que pueden conducir eficientemente protones (el núcleo del átomo de hidrógeno) podrían ser secreto para una serie de tecnologías importantes para combatir el cambio climático general.
La mayoría de los materiales inorgánicos conductores de protones disponibles en la presente requieren temperaturas indeseablemente altas para conseguir una conductividad suficientemente adhesión. Sin incautación, las alternativas de beocio temperatura podrían permitir una variedad de tecnologías, como celdas de combustible más eficientes y duraderas para producir electricidad limpia a partir de hidrógeno, electrolizadores para producir combustibles limpios como el hidrógeno para el transporte, baterías de protones de estado sólido e incluso nuevos tipos de Dispositivos informáticos basados en existencias ionoelectrónicos.
Para avanzar en el crecimiento de conductores de protones, los ingenieros del MIT han identificado ciertas características de los materiales que dan puesto a una conducción rápida de protones. Utilizando esos rasgos cuantitativamente, el equipo identificó media docena de nuevos candidatos que se muestran prometedores como conductores rápidos de protones. Las simulaciones sugieren que estos candidatos funcionarán mucho mejor que los materiales existentes, aunque todavía necesitan ser conformados experimentalmente. Adicionalmente de descubrir nuevos materiales potenciales, la investigación igualmente proporciona una comprensión más profunda a nivel atómico de cómo funcionan dichos materiales.
Los nuevos hallazgos son descrito en la revista Ciencias Energéticas y Ambientalesen un artículo de los profesores del MIT Bilge Yildiz y Ju Li, los postdoctorados Pjotrs Zguns y Konstantin Klyukin, y su colaboradora Sossina Haile y sus estudiantes de la Universidad Northwestern. Yildiz es profesora Breene M. Kerr en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
«Los conductores de protones son necesarios en aplicaciones de conversión de energía limpia, como las pilas de combustible, donde utilizamos hidrógeno para producir electricidad desenvuelto de dióxido de carbono», explica Yildiz. «Queremos realizar este proceso de forma efectivo y, por lo tanto, necesitamos materiales que puedan transportar protones muy rápidamente a través de dichos dispositivos».
Los métodos actuales de producción de hidrógeno, por ejemplo el reformado de metano con vapor, emiten una gran cantidad de dióxido de carbono. «Una forma de eliminarlo es producir electroquímicamente hidrógeno a partir de vapor de agua, y para ello se necesitan muy buenos conductores de protones», afirma Yildiz. La producción de otros importantes productos químicos industriales y posibles combustibles, como el amoníaco, igualmente puede usar a término mediante sistemas electroquímicos eficientes que requieren buenos conductores de protones.
Pero la mayoría de los materiales inorgánicos que conducen protones sólo pueden funcionar a temperaturas de 200 a 600 grados Celsius (aproximadamente 450 a 1100 Fahrenheit), o incluso más. Estas temperaturas requieren energía para mantenerse y pueden provocar la degradación de los materiales. «No es deseable alcanzar temperaturas más altas porque eso hace que todo el sistema sea más desafiante y la durabilidad del material se convierte en un problema», dice Yildiz. «No existe ningún buen conductor de protones inorgánico a temperatura medio ambiente». Hoy en día, el único conductor de protones a temperatura medio ambiente conocido es un material polimérico que no es práctico para aplicaciones en dispositivos informáticos porque no se puede achicar fácilmente al régimen nanométrico, afirma.
Para asaltar el problema, el equipo primero necesitaba desarrollar una comprensión básica y cuantitativa de cómo funciona exactamente la conducción de protones, tomando una clase de conductores de protones inorgánicos, llamados ácidos sólidos. «Primero hay que entender qué gobierna la conducción de protones en estos compuestos inorgánicos», afirma. Al observar las configuraciones atómicas de los materiales, los investigadores identificaron un par de características que se relacionan directamente con el potencial de transporte de protones de los materiales.
Como explica Yildiz, la conducción de protones implica primero que un protón “salte de un átomo de oxígeno donante a un oxígeno aceptor. Y luego el entorno tiene que reorganizarse y eliminar el protón aceptado, para que pueda saltar a otro aceptor vecino, permitiendo la difusión de protones a larga distancia”. Este proceso ocurre en muchos sólidos inorgánicos, afirma. Descubrir cómo funciona esa última parte (cómo se reorganiza la red atómica para quitar el protón aceptado del átomo donante innovador) fue una parte secreto de esta investigación, dice.
Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para estudiar una clase de materiales llamados ácidos sólidos que se convierten en buenos conductores de protones por encima de 200 grados centígrados. Esta clase de materiales tiene una subestructura llamamiento subred de grupos polianiones, y estos grupos tienen que rotar y alejar el protón de su sitio innovador para que luego pueda transferirse a otros sitios. Los investigadores pudieron identificar los fonones que contribuyen a la flexibilidad de esta subred, esencial para la conducción de protones. Luego utilizaron esta información para revisar vastas bases de datos de compuestos posibles teórica y experimentalmente, en indagación de mejores materiales conductores de protones.
Como resultado, encontraron compuestos ácidos sólidos que son conductores de protones prometedores y que han sido desarrollados y producidos para una variedad de aplicaciones diferentes, pero nunca antaño estudiados como conductores de protones; Estos compuestos resultaron tener las características adecuadas de flexibilidad reticular. Luego, el equipo llevó a término simulaciones por computadora de cómo se comportarían los materiales específicos que identificaron en su selección original bajo temperaturas relevantes, para confirmar su idoneidad como conductores de protones para pilas de combustible u otros usos. Efectivamente, encontraron seis materiales prometedores, con velocidades de conducción de protones previstas más rápidas que los mejores conductores de protones ácidos sólidos existentes.
«Hay incertidumbres en estas simulaciones», advierte Yildiz. “No quiero proponer exactamente cuánto viejo será la conductividad, pero parecen muy prometedores. Esperemos que esto motive al campo positivo a intentar sintetizarlos en diferentes formas y utilizar estos compuestos como conductores de protones”.
Traducir estos hallazgos teóricos a dispositivos prácticos podría padecer algunos abriles, afirma. Las primeras aplicaciones probables serían las de células electroquímicas para producir combustibles y materias primas químicas como hidrógeno y amoníaco, afirma.
El trabajo contó con el apoyo del Área de Energía de EE. UU., la Fundación Wallenberg y la Fundación Franquista de Ciencias de EE. UU.