Las sales líquidas traen empuje

Apr 02, 2023

Los científicos han descubierto los primeros líquidos piezoeléctricos conocidos, que pueden convertir la fuerza mecánica en carga eléctrica y viceversa. La naturaleza generalmente ecológica de estos materiales sugiere que pueden encontrar muchas aplicaciones más allá de los compuestos piezoeléctricos estándar, como la óptica y la hidráulica novedosas controladas eléctricamente. Sin embargo, queda mucho por saber sobre cómo funcionan y, por lo tanto, de qué pueden ser capaces.

La piezoelectricidad se descubrió por primera vez en 1880. Desde entonces, el efecto ha encontrado una amplia gama de aplicaciones, incluidos altavoces de teléfonos móviles, impresoras de inyección de tinta, imágenes de ultrasonido, equipos de sonda, sensores de presión, pastillas de guitarra acústica e inyectores de combustible diésel.

Hasta ahora, todos los materiales piezoeléctricos conocidos eran sólidos. Ahora los científicos han descubierto por primera vez líquidos piezoeléctricos. Detallaron sus hallazgos en un estudio en línea el 9 de marzo en el Journal of Physical Chemistry Letters.

"La óptica controlada eléctricamente es factible, solo en base a lo que sabemos ahora".—Gary Blanchard, Universidad Estatal de Michigan

Los investigadores experimentaron con líquidos iónicos. Estos fluidos son sales, compuestos que están hechos de un catión cargado positivamente y un anión cargado negativamente, que son líquidos a temperaturas inusualmente bajas. En comparación, la sal de mesa se derrite a unos 800 ºC.

"A menudo son relativamente viscosos, piense en ellos como aceite de motor o jarabe de arce", dice Gary Blanchard, uno de los autores del estudio y profesor de química en la Universidad Estatal de Michigan, en East Lansing.

Blanchard dice que el equipo estaba realizando experimentos estándar diseñados para comprender mejor las propiedades básicas de las sales en estado líquido (también conocidas como líquidos iónicos). El equipo descubrió que dos líquidos iónicos a temperatura ambiente diferentes generaban electricidad cuando un pistón los apretaba dentro de un cilindro. La fuerza del efecto que observaron los investigadores fue directamente proporcional a la fuerza aplicada.

"Nos sorprendió mucho ver eso", dice Blanchard. "Nadie había visto antes el efecto piezoeléctrico en líquidos".

Blanchard y sus colegas descubrieron que las propiedades ópticas de estos líquidos iónicos podían alterarse drásticamente en respuesta a la corriente eléctrica. Por ejemplo, cuando los investigadores colocaron estos fluidos en un recipiente con forma de lente, descubrieron que una carga eléctrica podía modificar la cantidad de luz que doblaban los líquidos, "cambiando la distancia focal de la lente", dice Blanchard.

Sigue siendo incierto qué aplicaciones podrían tener los líquidos piezoeléctricos. Como mínimo, las propiedades ópticas cambiantes de estos fluidos sugieren que "la óptica controlada eléctricamente es factible, solo en base a lo que sabemos ahora", dice Blanchard.

Si la electricidad hace que los líquidos piezoeléctricos cambien de dimensión tal como lo hace con los sólidos piezoeléctricos, "uno podría imaginar un nuevo campo de la piezohidráulica", agrega Blanchard.

"Casi nunca se pensaría en buscar una respuesta piezoeléctrica en un líquido. El hecho de que encontráramos una en un líquido fue, por lo tanto, una verdadera sorpresa". Gary Blanchard, Universidad Estatal de Michigan

Además, muchos sólidos piezoeléctricos pueden presentar riesgos ambientales. Por ejemplo, la cerámica piezoeléctrica más utilizada, PZT, contiene plomo. Por el contrario, los líquidos iónicos a temperatura ambiente son generalmente significativamente más reciclables y benignos para el medio ambiente que muchos materiales piezoeléctricos comunes, dicen los investigadores.

Además, la creación de componentes piezoeléctricos de las formas y tamaños deseados puede resultar difícil. Por el contrario, los líquidos piezoeléctricos podrían ofrecer una gama más amplia de oportunidades de diseño, dice Blanchard.

Cuando se trata de comprender cómo ocurre la piezoelectricidad, investigaciones anteriores han encontrado que el efecto ocurre en los sólidos cuando una fuerza mecánica deforma sus estructuras, lo que cambia las cargas eléctricas dentro de ellos. Por el contrario, una carga eléctrica aplicada a estos materiales distorsiona sus estructuras.

"Ambas cosas requieren una organización sustancial dentro de un material", dice Blanchard. La suposición básica con los líquidos es que no hay un orden persistente en esos materiales. Como consecuencia, uno casi nunca pensaría en buscar una respuesta piezoeléctrica de un líquido. El hecho de que encontráramos uno en un líquido fue, por lo tanto, una verdadera sorpresa".

Los investigadores sospechan que la aplicación de fuerza mecánica contra líquidos iónicos puede causar que las cargas eléctricas se separen dentro de estos fluidos, generando una corriente eléctrica. Sin embargo, "todavía estamos tratando de descubrir los mecanismos fundamentales que subyacen a cómo puede ocurrir la piezoelectricidad en los líquidos", dice Blanchard. "Nos hemos encontrado con un efecto que desafía una simple explicación teórica".

El efecto piezoeléctrico observado en estos líquidos iónicos a temperatura ambiente fue aproximadamente un orden de magnitud menor que el observado en el cuarzo, un material piezoeléctrico ampliamente utilizado. Sin embargo, "no tenemos idea de si hay otros líquidos iónicos que puedan tener un efecto mayor", dice Blanchard.

Aún se desconoce mucho sobre los líquidos piezoeléctricos, como si hay formas de modificar estos fluidos para mejorar la fuerza o la velocidad de sus efectos piezoeléctricos. Tampoco está claro cómo se mueve la carga eléctrica dentro de estos fluidos, a través de la lenta difusión de iones cargados eléctricamente a través del espacio, o el intercambio más rápido de carga eléctrica entre moléculas, muy parecido a cómo se mueve la electricidad en los cables.

"Estamos en un territorio desconocido", dice Blanchard. "Una vez que podamos comprender mejor los mecanismos detrás de cómo esta familia de materiales hace lo que hace, entonces tendremos una idea mucho mejor de lo que podría hacer y para qué aplicaciones podría ser útil".