Interfaces

Admitámoslo, todos tenemos que interactuar. Todo nuestro universo gira en torno a interacciones. Desde la sensación del tacto a la catálisis de las reacciones químicas, pasando por el abrigo impermeable que nos ponemos un día de lluvia, todo se basa en el comportamiento particular en la interfaz.

Estas interfaces presentan un enorme interés para investigadores de casi cualquier campo, particularmente en catálisis, separación de materiales y almacenamiento y conversión de energía. Además, a escala nanométrica es donde todo este este comportamiento interfacial adquiere mayor interés: el área superficial de los nanomateriales es inmensamente mayor que la de sus homólogos a macroescala, maximizando las interacciones interfaciales. Concretamente para la intrusión/extrusión de líquidos, este hecho presenta propiedades únicas que poseen el potencial de facilitar lo que de otro modo sería imposible.

La energía de los fenómenos interfaciales puede optimizarse y aprovecharse para aplicaciones en cromatografía, nanomáquinas inteligentes y almacenamiento de energía.  Además, esta energía muestra un gran potencial para innumerables aplicaciones obteniendo, reciclando y redistribuyendo energía, así como controlando sistemas con materiales inteligentes. Debido a las limitaciones actuales de los vehículos eléctricos, por ejemplo, la posibilidad de ahorrar energía a partir del calor residual resulta especialmente atractiva, al igual que la conversión de otras formas de energía.

Aquí, en CIC energiGUNE, el grupo de investigación Fenómenos interfaciales y medios porosos estudia estos fenómenos para adaptarlos y optimizarlos en una gran cantidad de aplicaciones, como son nuestro proyecto insignia Electro-Intrusión (FET-PROACTIVE del Programa Horizonte 2020) de triboelectrificación de materiales porosos y el proyecto ERC Proof of Concept NoDRY para el desarrollo de la tecnología HPLC acuosa junto con investigaciones computacionales realizadas por nuestros colaboradores de la universidad de Sapienza en Roma.

Intrusión/Extrusión

Los nanomateriales porosos se investigan para una amplia gama de aplicaciones, como amortiguadores y parachoques, resortes moleculares, músculos artificiales termorregulados (actuadores), válvulas inteligentes, cromatografía, fluidos inteligentes e incluso agua porosa.

Estos nanomateriales poseen considerables volúmenes y áreas superficiales para su tamaño, lo que los convierte en medios de almacenamiento prometedores para gases, medicamentos e incluso iones de litio en potenciales aplicaciones para baterías. Algunos pueden comprimirse y expandirse en condiciones específicas, lo que les permite comportarse como válvulas inteligentes, interruptores y músculos artificiales. Pero hay otros que son hidrófobos y poseen excitantes propiedades cuando se ven obligados a interactuar con el agua que pueden aprovecharse para una amplia variedad de aplicaciones energéticas, como amortiguadores, resortes moleculares y generadores triboeléctricos.

La intrusión se define como la entrada de un material en una cavidad o canal bajo presión, y la extrusión es el proceso inverso. De esta forma, los principales focos de investigación son almacenamiento y separación, por ejemplo, habitualmente se emplean para cromatografía en columna, donde se separan materiales para su purificación en el laboratorio o en entornos industriales. También se está trabajando en el suministro de fármacos, donde los materiales porosos pueden retener un fármaco/producto químico específico hasta que un desencadenante específico in vivo (por ejemplo, temperatura, pH) hace que se libere en el organismo. Además, algunos materiales porosos pueden incluso sintetizarse alrededor de las moléculas de los fármacos, evitando el paso de intrusión del material.

En la  Figura 1, se ilustra esquemáticamente la intrusión/extrusión de agua en el material, con el agua entrando en el material poroso cuando la presión es suficientemente alta (1c). Dependiendo de la flexibilidad del material (entre otros factores) puede haber diferentes grados de pérdida de energía durante el ciclo de intrusión/extrusión. Mientras que esto puede suponer energía perdida si el sistema se considera como una batería, sin embargo, es ventajoso para un amortiguador, donde la energía debe disiparse eficazmente.

^{Figura 1 – Esquema de la intrusión/extrusión dentro de una cámara sellada con pistón. (a) El pistón comienza a moverse, cuando se alcanza suficiente presión en la cámara (b), el líquido se interna en los poros del material produciendo la intrusión (c). De forma contraria, cuando el pistón libera la presión (d), el líquido sale del material poroso consiguiendo la extrusión (e).}

Durante el funcionamiento práctico

La diferencia entre la presión de intrusión y la de extrusión (histéresis) depende del material y puede presentar grades diferencias, lo que nos permite adaptarnos a diferentes tecnologías. Los materiales con una histéresis mayor son amortiguadores mecánicos y acústicos eficaces, ya que pueden disipar la energía eficientemente. Por otro lado, los materiales con histéresis reducida son más útiles para sistemas de almacenamiento de energía, ya que devuelven una cantidad de energía similar a la que se introduce.

También se buscan propiedades que puedan ajustar el umbral de la presión de intrusión, permitiendo que materiales que requieren presiones fuera de las del funcionamiento convencional puedan ser viables. Si se puede lograr este ajuste sin necesidad de sintetizar nuevos materiales, su atractivo para una amplia gama de aplicaciones se incrementa inmediatamente.

HPLC: ¿un tema árido?

El proyecto NoDRY se centra en encontrar un sistema que permita utilizar agua en cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), una técnica habitual para la separación de materiales en diversas industrias comerciales. Tradicionalmente, estas tecnologías utilizan disolventes orgánicos producidos por la industria petroquímica. Sin embargo, los problemas de humectación/secado de la fase sólida han impedido hasta ahora el uso eficaz del agua.

De esta forma, este proyecto pretende superar este problema consiguiendo una tecnología más eficiente y ecológica. Para ello se trabajaría con materiales que tengan una histéresis amplia, consiguiendo que el estado de intrusión sea lo suficientemente estable para funcionar, pero al mismo tiempo permitir secar el material, al lograrse la intrusión, cuando se necesita limpiarlo.

Descubrimientos sorprendentes

La intrusión/extrusión de agua en materiales hidrófobos y porosos puede dar lugar a propiedades intrigantes, como la generación de electricidad y calor o la expansión del material bajo presión (conocida como compresibilidad negativa), una característica muy poco frecuente. En el CIC energiGUNE, el grupo de investigación Fenómenos interfaciales y medios porosos investiga la generación de electricidad mediante la intrusión/extrusión de agua en estos materiales porosos como parte del proyecto Electro-Intrusión, explotando propiedades únicas no previstas por las teorías clásicas para mejorar el aprovechamiento, la recuperación y la disipación de la energía.

La ley de conservación de la energía establece que ésta no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse. Por tanto, la energía disipada debe convertirse y liberarse por otra vía. Aunque parte de ella se perderá en forma de calor, del mismo modo que las baterías convencionales se calientan al cargarse/descargarse, otra vía posible es la electrificación (Figura 2), e.i., generando energía eléctrica.

^{Figura 2 – Intercambio de carga en un poro producida por la fricción (triboelectrificación) del líquido durante el proceso de intrusión-extrusión. (a) Equilibrio pre-intrusión del líquido en el poro, (b) intrusión e intercambio de cargas y (c) material cargado cuando se produce la extrusión. Carga inducida por fricción (triboelectrificación) debida al intercambio de cargas durante el contacto entre los poros del nanomaterial y la superficie.}

^{Figura 3 – Celda del dispositivo PVT (presión, volumen y temperatura) para la medida de triboelectrificación donde los cables eléctricos se conectan a un electrodo conductor en contacto con un material hidrófobo nanoporoso.}

La carga/descarga inducida por fricción es un fenómeno mucho más familiar de lo que podría pensarse: quizá ha podido recibir una descarga después de caminar sobre una alfombra o mientras llevaba un jersey de lana, o haya frotado un globo y se haya levantado el pelo con él. En nuestro caso, el principio es más o menos el mismo, pero con la ventaja añadida de la enorme superficie interna de los nanoporos: algunos materiales nanoporosos pueden llegar a tener un área superficial de poro mayor a 1800m2/g, ¡casi siete pistas de tenis en solo 1 g de material!

En CIC energiGUNE disponemos de equipamiento para medir la triboelectrificación al realizar ciclos de compresión-descomprensión (Figura 3). El dispositivo puede alcanzar presiones de hasta 800 bar regulando eficazmente la temperatura. Además, el tapón diseñado en nuestro centro permite el paso de cables eléctricos, con los que podemos registrar el voltaje y la corriente durante los ciclos de compresión-descompresión. El centro también dispone de un porosímetro de mercurio con el que se pueden medir tanto la presión como el volumen de intrusión/extrusión de muestras reducidas permitiendo un cribado rápido de los materiales candidatos. De esta forma en nuestro centro se han evaluado gran cantidad de materiales para aplicaciones de HPLC y de nano-triboelectrificación con resultados prometedores. Los próximos pasos conllevaran la optimización y el desarrollo de sistemas para aplicaciones comerciales.

En conclusión, este viaje en el estudio de los nanomateriales porosos y sus interfaces está lleno de posibilidades para la conversión energética, así como para otras aplicaciones. A medida que desvelamos los secretos de estas nanoestructuras, queda cada vez más patente su potencial para revolucionar sectores como el almacenamiento de energía, la cromatografía y los materiales inteligentes. Con los esfuerzos de investigación en curso centrados en la optimización de su rendimiento y sostenibilidad, el futuro nos depara perspectivas apasionantes para aprovechar el poder de los nanomateriales porosos para hacer frente a los acuciantes retos energéticos mundiales e impulsar la innovación en el campo de la ciencia de los materiales.