El gel elèctric

La gent de mar i els socorristes de piscines saben bé que si t’enxampa una tempesta elèctrica dins de l’aigua has de sortir-ne tan ràpidament com puguis. Per una banda, el teu cos pot esdevenir una mena de parallamps, i convertir-se en el punt d’aterratge del llamp. Per altra banda, l’aigua, i encara més la salada, és un gran conductor de l’electricitat, i encara que el llamp no et caigui al cap, l’energia que diposita a l’aigua et pot fer molt de mal.

Ara bé, quan l’aigua es glaça, passa a ser un aïllant potent, perquè els ions que conté, o els mateixos electrons i protons, queden atrapats en la seva estructura cristal·lina. Les propietats electromecàniques de l’aigua i del gel són el focus de nombrosos estudis tant pel fet que és un material abundant i sostenible, com perquè les seves propietats condicionen des dels llamps d’una tempesta a les possibles traces de vida en astres més enllà de la Terra.

Segons un descobriment recent d’un equip d’investigació internacional, coliderat per l’investigador ICREA Gustau Catalán, de l’Institut de Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), quan el gel es deforma no només pot conduir l’electricitat sinó que també pot generar-la.

Per a demostrar-ho van congelar aigua en làmines entre elèctrodes metàl·lics i van veure que en flexionar aquest material es genera una càrrega elèctrica, el que es coneix com a flexoelectricitat, que varia en funció de la temperatura. En l’estudi publicat a Nature Physics mostren com aquest corrent podria explicar la formació de llamps en una tempesta.

Però el que també va despertar l’interès dels científics és com utilitzar el gel com a material actiu en electrònica.

En la creació de sensors i posicionadors avançats en salut i en aplicacions militars, i també en materials recol·lectors d’energia, per posar només alguns exemples, s’usen habitualment materials piezoelèctrics, els millors dels quals són ceràmiques que contenen plom. Malgrat les propietats d’aquests materials, capaços de convertir pressió en electricitat o, viceversa, i de deformar-se en resposta a voltatges, hi ha una cursa per substituir-los per a eliminar les toxicitats induïdes pel plom.

Per això, Gustau Catalán i els seus col·laboradors exploren com aprofitar les propietats flexoelèctriques del gel en entorns freds. En aquesta exploració han vist que, per exemple, en afegir sal a l’aigua gelada es pot aconseguir un material capaç de generar un corrent 1.000 vegades més potent que només amb aigua pura, assolint així propietats comparables a les dels materials ceràmics.

El motiu d’aquesta millora elèctrica prové dels ions salins, que en deformar el gel s’alliberen de l’estructura cristal·lina i es mouen entre els grans de gel, des del costat còncau de la mostra (més comprimit) al costat convex (més estirat). Aquest corrent elèctric se suma al del gel pur i n’amplifica l’efecte flexoelèctric.

En l’exploració dels usos d’aquest corrent, de moment, els investigadors han desenvolupat prototips que aprofiten la deformació del gel salat en dispositius de recol·lecció i generació d’energia en ambients freds, com poden ser les zones polars terrestres.

Però la recerca al voltant d’altres tecnologies netes així com en entendre com la flexoelectricitat del gel contribueix a fenòmens naturals –com la formació dels llamps i l’activitat elèctrica en les llunes gelades del nostre sistema solar– segueix en curs. Esperem poder-vos explicar altres resultats d’aquesta recerca ben aviat.