Las baterías y las pilas de combustible suelen depender de un proceso conocido como difusión de iones para funcionar. En la difusión de iones, los átomos ionizados se mueven a través de materiales sólidos, de forma similar al proceso de absorción de agua por el arroz cuando se cocina. Al igual que la cocción del arroz, la difusión de iones depende increíblemente de la temperatura y requiere altas temperaturas para que se produzca rápidamente.

Esta dependencia de la temperatura puede ser limitante, ya que los materiales utilizados en algunos sistemas, como las pilas de combustible, deben soportar altas temperaturas que a veces superan los 1.000 grados centígrados. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores del MIT y de la Universidad de Muenster (Alemania) ha demostrado un nuevo efecto, que consiste en potenciar la difusión de iones mientras el material permanece frío, excitando únicamente un número selecto de vibraciones conocidas como fonones. Este nuevo enfoque, que el equipo denomina "catálisis de fonones", podría dar lugar a un campo de investigación totalmente nuevo. Su trabajo se ha publicado en Cell Reports Physical Science.

En el estudio, el equipo de investigación utilizó un modelo computacional para determinar qué vibraciones provocaban realmente el movimiento de los iones durante su difusión. En lugar de aumentar la temperatura de todo el material, aumentaron la temperatura sólo de esas vibraciones específicas en un proceso que denominan excitación de fonones dirigida.

"Sólo calentamos las vibraciones que importaban, y así pudimos demostrar que se podía mantener el material frío, pero hacer que se comportara como si estuviera muy caliente", dice Asegun Henry, profesor de ingeniería mecánica y coautor del estudio.

Esta capacidad de mantener los materiales fríos durante la difusión de iones podría tener una amplia gama de aplicaciones. En el ejemplo de las pilas de combustible, si toda la pila no tiene que estar expuesta a temperaturas extremadamente altas, los ingenieros podrían utilizar materiales más baratos para construirlas. Esto reduciría el coste de las pilas de combustible y las haría más duraderas, resolviendo el problema de la corta vida útil de muchas de ellas.

El proceso también podría tener implicaciones para las baterías de iones de litio.

"Descubrir nuevos conductores de iones es fundamental para el avance de las baterías de litio, y las oportunidades incluyen permitir el uso de litio metálico, que puede duplicar potencialmente la energía de las baterías de iones de litio. Desgraciadamente, se carece de conocimientos fundamentales sobre la conducción de iones", añade Yang Shao-Horn, catedrático de Energía W.M. Keck y coautor.

Este nuevo trabajo se basa en su investigación anterior, concretamente en el trabajo de Sokseiha Muy PhD 18 sobre los principios de diseño de los conductores de iones, que muestra que la disminución de la energía de los fonones en las estructuras reduce la barrera para la difusión de iones y aumenta potencialmente la conductividad de los mismos. Kiarash Gordiz, un postdoctorado que trabaja conjuntamente con el Grupo de Simulación Atomística e Investigación Energética de Henry y el Laboratorio de Energía Electroquímica de Shao-Horn, se preguntó si podrían combinar la investigación de Shao-Horn sobre la conducción de iones con la investigación de Henry sobre la transferencia de calor.

"Utilizando el trabajo previo del profesor Shao-Horn sobre los conductores de iones como punto de partida, nos propusimos determinar exactamente qué modos de fonones contribuyen a la difusión de iones", dice Gordiz.

Henry, Gordiz y su equipo utilizaron un modelo de fosfato de litio, que suele encontrarse en las baterías de iones de litio. Utilizando un método computacional conocido como análisis de modo normal, junto con cálculos de bandas elásticas y simulaciones de dinámica molecular, el grupo de investigación calculó cuantitativamente cuánto contribuye cada fonón al proceso de difusión de iones en el fosfato de litio.

Con este conocimiento, los investigadores podrían utilizar el láser para excitar o calentar selectivamente fonones específicos, en lugar de exponer todo el material a altas temperaturas. Este método podría abrir un nuevo mundo de posibilidades.

El amanecer de un nuevo campo

Henry cree que este método podría conducir a la creación de un nuevo campo de investigación, al que denomina "catálisis de fonones". Aunque el nuevo trabajo se centra específicamente en la difusión de iones, Henry ve aplicaciones en reacciones químicas, transformaciones de fase y otros fenómenos dependientes de la temperatura.

"A nuestro grupo le fascina la idea de que se pueda catalizar todo tipo de cosas ahora que tenemos la técnica para averiguar qué fonones importan", dice Henry. "Todas estas reacciones que normalmente requieren temperaturas extremas podrían ocurrir ahora a temperatura ambiente".

Henry y su equipo han empezado a explorar las posibles aplicaciones de la catálisis fónica. Gordiz ha estado estudiando la posibilidad de utilizar el método para los conductores superiónicos de litio, que podrían utilizarse en el almacenamiento de energía limpia. El equipo también está considerando aplicaciones como un superconductor a temperatura ambiente e incluso la creación de diamantes, que requieren presiones y temperaturas extremadamente altas que podrían activarse a temperaturas mucho más bajas mediante la catálisis de fonones.

"Esta idea de la excitación selectiva, centrada sólo en las partes que se necesitan en lugar de en todo, podría ser un gran cambio de paradigma en el funcionamiento de las cosas", dice Henry. "Tenemos que empezar a pensar en la temperatura como un espectro y no como un único número".

Los investigadores tienen previsto mostrar más ejemplos del funcionamiento de la excitación de fonones dirigida en diferentes materiales. En el futuro, esperan demostrar que su modelo computacional funciona experimentalmente en estos materiales.