Una t¨¦cnica desarrollada por un profesor espa?ol desvela lo invisible

M¨¦todos convencionales como los rayos X, el TAC o la resonancia magn¨¦tica permiten ver partes del interior de cuerpos y objetos sin abrirlos. Esos extraordinarios avances tienen una limitaci¨®n: los fluidos y el comportamiento de los elementos qu¨ªmicos que los componen a lo largo del tiempo son invisibles. Una investigaci¨®n dirigida por el espa?ol Antoni Forner-Cuenca, profesor de materiales y sistemas electroqu¨ªmicos en la Universidad de Tecnolog¨ªa de Eindhoven (Pa¨ªses Bajos) tras pasar por el MIT (Instituto Tecnol¨®gico de Massachusetts), ha conseguido saltar esa barrera. Utilizando radiograf¨ªas de neutrones ha desvelado la composici¨®n y la conducta de los elementos internos en una bater¨ªa en funcionamiento. No se puede usar en organismos vivos por el efecto de la radiaci¨®n, pero es una puerta al mundo invisible que recoge Nature Communications.

La Agencia Internacional de Energ¨ªa At¨®mica (IAEA, por sus siglas en ingles), define la ¡°imagenolog¨ªa neutr¨®nica¡± como una t¨¦cnica no destructiva para analizar la estructura de una muestra a partir de un haz de neutrones que la atraviesa y se aten¨²a seg¨²n su composici¨®n y forma. Los resultados que aporta son fundamentales para an¨¢lisis electroqu¨ªmicos de las pilas de combustible, el estudio de la eficiencia din¨¢mica y el rendimiento de bater¨ªas o motores, el control de calidad en la industria automovil¨ªstica, aviaci¨®n y construcci¨®n, el estudio no invasivo de objetos del patrimonio cultural y de muestras biol¨®gicas, la geolog¨ªa, el examen del combustible nuclear o la investigaci¨®n de materiales.

La investigaci¨®n de Forner-Cuenca y su equipo ha dado un paso m¨¢s y, seg¨²n explica el investigador espa?ol, ha desarrollado y demostrado en una bater¨ªa de flujo un m¨¦todo de imagen con neutrones para visualizar concentraciones en l¨ªquidos y su comportamiento.

¡°En una bater¨ªa, hay una serie de procesos que ocurren dentro y que determinan el rendimiento, la eficiencia y la vida ¨²til de esta. Hasta ahora era una caja negra. Se pod¨ªa medir el voltaje y la corriente el¨¦ctrica, pero se desconoc¨ªa qu¨¦ ocurr¨ªa dentro. Con nuestro m¨¦todo podemos hacer fotos y v¨ªdeos de esos procesos durante el funcionamiento de la bater¨ªa y ver c¨®mo cambian las concentraciones dentro de la celda electroqu¨ªmica¡°, explica.

Los magos que desvelan lo hasta ahora invisible son los neutrones, las part¨ªculas subat¨®micas sin carga neta y que, por esta caracter¨ªstica, no interaccionan con las nubes electr¨®nicas. El neutr¨®n atraviesa la estructura externa del objeto como si fuera transparente, pero se aten¨²a al encontrarse mol¨¦culas que contienen hidr¨®geno o boro.

La aplicaci¨®n industrial es evidente, especialmente para mejorar la eficiencia en las bater¨ªas de flujo analizadas, que son clave para la energ¨ªa de fuentes renovables por su capacidad de almacenamiento a gran escala y larga duraci¨®n. ¡°Veo aplicaciones en varios proceses de la industria qu¨ªmica ¨C donde hay conversiones de mol¨¦culas en fase l¨ªquida - o para entender c¨®mo funcionan prototipos¡±, a?ade Forner-Cuenca.

Las im¨¢genes de los espacios que eran invisibles han desvelado los movimientos de las mol¨¦culas, c¨®mo fluct¨²an en las fases de carga o descarga, las zonas m¨¢s inactivas o la precipitaci¨®n de s¨®lidos. Toda esa informaci¨®n permite dise?ar bater¨ªas m¨¢s eficientes.

¡°La investigaci¨®n ha sido liderada por el investigador espa?ol Forner-Cuenca y su equipo (Maxime van der Heijden, Remy R. Jacquemond, y Emre B. Boz) en la universidad de tecnolog¨ªa de Eindhoven, en colaboraci¨®n con el MIT y el instituto Paul Scherrer de Suiza (PSI), que ha facilitado las instalaciones para el desarrollo de los experimentos, que se llegaron a prolongar durante 12 d¨ªas de forma ininterrumpida y con mediciones cada 30 segundos.

La l¨ªnea de trabajo de la universidad europea es compartida por otras entidades internacionales porque, como explica Santanu Roy, coautor de una investigaci¨®n publicada en Journal of the American Chemical Society, ¡°una mejor capacidad para predecir y calcular los comportamientos microsc¨®picos, as¨ª como la obtenci¨®n de datos fiables, ayudan a desarrollar mejores modelos¡±.

El cient¨ªfico, que investiga sales fundidas como combustible y refrigerante de reactores, explica que ¡°el comportamiento qu¨ªmico, estructural y din¨¢mico de las sales a nivel at¨®mico es dif¨ªcil de entender¡±. Cuando un haz de neutrones se dirige a una muestra, muchos de ellos pasan a trav¨¦s del material, pero algunos interact¨²an directamente con los n¨²cleos at¨®micos y ¡°rebotan¡± en un ¨¢ngulo, como pelotas que chocan en un juego de billar. Usando detectores especiales, los cient¨ªficos cuentan los neutrones dispersos, miden sus energ¨ªas y los ¨¢ngulos en los que se dispersan y mapean sus posiciones finales. Esto hace posible la obtenci¨®n de detalles sobre la naturaleza de los materiales, desde los cristales l¨ªquidos hasta las cer¨¢micas superconductoras, desde las prote¨ªnas hasta los pl¨¢sticos, y desde los metales hasta los imanes de vidrio met¨¢licos.

Tambi¨¦n en la l¨ªnea de mejorar el rendimiento de dispositivos, la Universidad de Osaka (Jap¨®n) ha usado neutrones para medir temperaturas interiores de los componentes electr¨®nicos de forma r¨¢pida y precisa. El m¨¦todo, publicado tambi¨¦n por Nature Communications utiliza una t¨¦cnica llamada ¡°absorci¨®n por resonancia de neutrones¡± para examinar los que son absorbidos por los n¨²cleos at¨®micos a ciertos niveles de energ¨ªa y deducir las propiedades del material. ¡°Esta tecnolog¨ªa permite medir la temperatura de forma instant¨¢nea [100 nanosegundos] y, como no es destructiva, se puede usar para monitorear dispositivos como bater¨ªas y dispositivos semiconductores¡±. explica Zechen Lan, autor principal del trabajo.