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Effects of confinement on inhomogeneous systems

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Un estudio comprueba cómo el confinamiento determina la conducta de la materia blanda

Ciertas partículas o biomoléculas forman espontáneamente diversos patrones a micro o mesoescala que pueden modificarse considerablemente mediante el confinamiento. El control de los intrigantes patrones resultantes podría ayudarnos a diseñar materiales con las propiedades deseadas, por ejemplo para el almacenamiento de energía.

Investigación fundamental

El confinamiento de la materia en espacios reducidos desempeña un papel crucial en los organismos vivos; de hecho, hay importantes procesos que se producen dentro de orgánulos rodeados por membranas o sobre tales membranas. El espacio del que disponen las partículas también se ve limitado cuando se adsorben sobre una superficie o se confinan dentro de esponjas o rocas porosas, en las que los poros en forma de red, hendidura o cilindro tienen diferentes tamaños, que van de los nanómetros a los micrómetros. «Las cápsides víricas son otro ejemplo de confinamiento a una escala inferior a los cien nanómetros. Las proteínas se autoensamblan para formar una cápside que alberga una cadena de ARN o ADN. En la ciencia de los materiales, las partículas ensambladas en un espacio confinado se aprovechan para producir nuevos materiales con propiedades inusuales (metamateriales)», comenta la coordinadora del proyecto, Alina Ciach. El proyecto CONIN, financiado con fondos europeos, se inspiró en la función clave que desempeña el confinamiento en la naturaleza e investigó cómo, en función del tipo de confinamiento, refuerza o suprime patrones de aparición espontánea a diferentes escalas de longitud y cómo se puede aprovechar en tecnologías modernas. El estudio contó con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie.

Intrigantes fenómenos a partir del confinamiento de partículas autoensambladas

La adsorción cambia las propiedades de la superficie. «La adsorción de partículas cargadas que se atraen entre sí a corta distancia a través de fuerzas mediadas por disolventes puede eliminarse mediante su repulsión electrostática de largo alcance. En consecuencia, los grupos de partículas adsorbidas separados por regiones vacías forman “un encaje” con un patrón hexagonal o con franjas. Si se añade un segundo tipo de partículas con interacciones debidamente ajustadas, se forma una capa de partículas gruesa con un patrón que cubre la superficie, como una manta gruesa de dos colores», explica Ciach. El equipo del proyecto descubrió que las diferencias de química, tamaño y forma de los muros de confinamiento pueden destruir, reforzar o modificar los patrones de formación espontánea de las partículas, los grupos y los iones, o inducir patrones completamente nuevos. Observaron los mismos patrones ajustando correctamente el tamaño de los grupos en diversos sistemas (proteínas globulares, nanopartículas o partículas coloidales). En consecuencia, los resultados en un modelo contribuyen a predecir las propiedades correspondientes de diferentes sistemas. Los fenómenos de confinamiento más sorprendentes se producen cuando las partículas se autoensamblan en grupos cilíndricos (columnas). «Estas columnas son flexibles, se comportan como cuerdas flexibles (o espaguetis cocidos) agrupadas de manera diferente en función de la forma y tamaño del recipiente de confinamiento. Dentro de los cilindros, nuestros “espaguetis” forman espirales», observa Ciach.

Cómo podrían los iones confinados aumentar la capacidad de almacenamiento

El movimiento confinado de líquidos iónicos y electrolitos determina el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía. Los electrodos porosos son adecuados para su uso en condensadores, dado que la capacidad aumenta al incrementar la superficie. «Sin embargo, los coiones en poros muy finos están obstruidos por contraiones que ralentizan significativamente la dinámica de carga. Mediante simulaciones informáticas, estudiamos cómo agilizar la dinámica de carga escogiendo selectivamente el protocolo de carga. Nos propusimos asimismo aumentar la energía y carga almacenadas en mesoporos combinando el líquido iónico con un disolvente neutro y escogiendo electrodos ionófilos/ionófobos», continúa Ciach. En los condensadores con forma de hendidura con paredes ionófilas, las transiciones de ionización a desionización que se producen al cambiar la tensión o la temperatura van acompañadas de saltos en la energía almacenada. Estas variaciones pueden aprovecharse en aplicaciones de conversión de calor a electricidad. El equipo también descubrió una correlación entre la capacidad de almacenar energía y la disposición de los iones dentro de un poro ultraestrecho sin carga. Demostraron que las estructuras iónicas ordenadas cambian el proceso de carga a tensiones más altas, mejorando así la densidad energética. Los resultados mencionados son tan solo una pequeña parte de los logros del proyecto CONIN. Todos se han publicado en numerosas revistas con revisión interpares.

Palabras clave

CONIN, confinamiento, almacenamiento de energía, formación de patrones, adsorción, líquido iónico, partículas autoensambladas

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