El equipo de investigación de la Universidad Northwestern demostró recientemente un nuevo material de almacenamiento de energía que es completamente diferente de las baterías tradicionales: existe en forma de un líquido amarillo. Después de ser "cargado" bajo la acción de la luz visible, la corriente eléctrica, los combustibles químicos o los rayos X, se ensamblará espontáneamente y se transformará en un hidrogel conductor negro. Puede almacenar electrones durante varios meses en ausencia de oxígeno y liberarlos al oxígeno cuando sea necesario para proporcionar poder oxidativo para reacciones químicas posteriores.
El equipo describe los resultados de la investigación, publicados en la revista Chem, como un sistema químico "inspirado en células" capaz de integrar la recolección y el almacenamiento de energía, la remodelación estructural y las funciones catalíticas en una única plataforma de material blando. A diferencia del concepto tradicional de baterías de iones de litio utilizadas para alimentar teléfonos móviles y otros dispositivos, este material no es una batería electroquímica que genera una corriente estable, sino que se parece más a un almacén de materia blanda que puede "llenar" y "liberar" repetidamente energía química redox.
En estado descargado, el material es un líquido amarillo compuesto de pequeños agregados moleculares globulares; cuando se expone a fuentes de energía como luz visible, corriente eléctrica, combustibles químicos o rayos X, las moléculas aceptan electrones y cambian su estructura electrónica, lo que desencadena el apilamiento y la combinación de moléculas, a través de interacciones π-π y la formación de "pímeros" de radicales libres, y finalmente se reorganizan en fibras poliméricas supramoleculares de cadena larga, lo que permite que el líquido originalmente suelto se reconstruya en un hidrogel conductor negro. En este proceso, el "estado cargado" en sí mismo es un "estado de ensamblaje". Las moléculas no almacenan carga pasivamente como los iones en los electrodos de las baterías tradicionales, sino que se reorganizan alrededor de electrones adicionales para construir una nueva estructura blanda, estabilizando así físicamente estos electrones almacenados.
En un entorno libre de oxígeno, este gel negro puede sellar electrones durante mucho tiempo. El equipo afirma que puede mantener el estado de almacenamiento de energía durante varios meses sin oxígeno. Cuando es necesario liberar energía, se introduce oxígeno. Las moléculas de oxígeno aceptan electrones almacenados en el gel para generar especies que contienen oxígeno altamente reactivas. Estas especies reactivas de oxígeno pueden oxidar sustratos orgánicos y promover una serie de reacciones redox. En otras palabras, el material produce trabajo químico redox en lugar de corriente eléctrica. Lo que almacena es energía química que existe dentro del gel en forma de electrones adicionales. Una vez expuesto al aire, el oxígeno consume estos electrones y hace que el material regrese gradualmente a su estado líquido amarillo original.
El equipo de investigación considera este sistema como un modelo de "fotocatálisis oscura": en la fotocatálisis tradicional, la luz debe intervenir continuamente durante la reacción; En este trabajo, el material puede "precargarse" con energía luminosa u otra energía de antemano y luego almacenar electrones en un ambiente oscuro durante mucho tiempo. Cuando sea necesario en el futuro, estos electrones almacenados se pueden utilizar para impulsar reacciones químicas a través de la oxidación. Esto significa que se espera que ciertos procesos catalíticos impulsados por la luz continúen en ausencia de luz en el futuro, proporcionando nueva flexibilidad temporal y espacial para la remediación ambiental, la degradación de contaminantes, la esterilización de superficies y una serie de química fotocatalítica.
El equipo de la Universidad Northwestern enfatizó que este es el primer ejemplo de un material que almacena energía mediante "autoreconfiguración": la captura, el almacenamiento y la liberación de energía ya no dependen de dispositivos de ingeniería de estructura fija (como electrodos en baterías o semiconductores en células solares), sino que se entregan a una plataforma de materia blanda que puede cambiar dinámicamente su propia estructura durante el proceso de carga y descarga. Después de completar la reacción de oxidación, el oxígeno continuará consumiendo electrones en el gel y gradualmente lo revertirá hasta convertirse en un líquido amarillo. Este proceso de "reinicio" también permite recargar el sistema y tiene potencial de reciclaje.
En la actualidad, la investigación aún se encuentra en la etapa conceptual y de laboratorio. El artículo fue publicado en la revista "Chem". El comunicado de prensa oficial de la Universidad Northwestern lo posiciona como un tipo de material inspirado en células que "captura energía y la libera según demanda", proporcionando nuevas ideas de diseño para futuras exploraciones en los campos del almacenamiento de energía duradero, catálisis programable y aplicaciones ambientales.