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El investigador del Instituto de Física, Andrés Rafael Botello Méndez, participa en un proyecto entre México y Europa que se enfoca en desarrollar baterías eléctricas hechas con materiales bidimensionales (2D) y litio (Li), las cuales podrían, en el futuro, servir para ampliar el tiempo del funcionamiento de aparatos eléctricos como celulares, tabletas o computadoras.

El proyecto, producto del acuerdo entre el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica y la Universidad Católica de Lovaina, en Bélgica, se centra en generar colaboraciones entre físicos teóricos y experimentales en materiales 2D, sintetizar nanomateriales de carbono y estudiar sus posibles aplicaciones en la industria.

“Este proyecto se inició entre 2015 y 2016, lo interesante es que en San Luis Potosí ya contaban con un material que ellos llaman ‘esponja’, el cual está hecho de nanotubos, fibras de carbono amorfo y es sumamente poroso, así que la idea es usar esas propiedades para hacer una batería donde los átomos de litio ocupen los espacios”, explicó el investigador a Noticias IFUNAM.

La propuesta de Botello fue, primero, hacer pruebas mediante simulaciones computacionales. Pero de inmediato se enfrentó con un problema. “Esta esponja resultó ser particularmente complicada de analizar porque su estructura es menos estable que el carbono arquetípico o el grafeno”.

A diferencia de estos materiales, o de una pila convencional, que tiene una estructura estable en forma de hexágonos, esta esponja resulta más complicada porque sus capas de carbono se agrupan de manera aleatoria. Es como si comparáramos un edificio con figuras definidas, en contraste con un conjunto amorfo de ladrillos.

Aún así, Botello y sus colegas decidieron modelar computacionalmente la esponja con el fin de predecir cómo se acoplarían los átomos del litio. Esto lo hicieron con la teoría del funcional de la densidad, una de las especialidades de Rafael Botello.

Con base en esta teoría, se toma un sitio dentro de un sistema aleatorio y se propone una serie de probabilidades donde ese valor puede acoplarse. Por ejemplo, si alguien quisiera saber cuáles son las probabilidades de que caiga una canica en diversos espacios vacíos de un terreno con muchos hoyitos, podría usar esta teoría para conocer en qué agujeros podría entrar la canica. Así lo usaron para determinar en qué espacios del carbono amorfo podrían acoplarse los átomos de litio.

Tras agregar el litio en su modelo computacional, los investigadores notaron que por cada 12 átomos de carbono se acomodan tres átomos de litio. Esto es muy distinto a lo que ocurre en una batería estable, pues en ellas se acomoda un átomo de litio por cada 6 de carbono.

Rafael Botello aclaró que “estas estructuras son buenas para transportar iones entre capa y capa, pero para almacenar litio, eso es más complicado. El problema es que las estructuras son tan amorfas que es muy complicado modelar y proponer qué está pasando en términos físicos, y ya no estoy hablando tanto de las formas, sino de las propiedades”.

A pesar de estos resultados, Botello pretende continuar su estudio de pilas con materiales bidimensionales, pues, dice, son el futuro para dispositivos electrónicos. Actualmente, la mayoría de dispositivos móviles como tabletas, cámaras de video, fotográficas o consolas portátiles ya usan baterías de iones de litio, pues se trata de un elemento más liviano, duradero y con mayor almacenamiento de carga eléctrica, a diferencia de las pilas hechas con metal de hidruro o cadmio, las cuales cada vez están más en desuso. Sin embargo, aún hay un amplio menú de materiales que pueden hacerlos aún más livianos.

Aunque este tipo de estudios es relativamente nuevo, cada vez hay más interés en estudiar los materiales bidimensionales. Una muestra de ellos es el XVIII International Materials Research Congress, un conjunto de simposios que se llevan a cabo anualmente en Cancún, México, durante el mes de agosto. Este año se realizan del 18 al 23 del mes, donde investigadores de más de 60 países mostrarán los avances en estudios de materiales.

Botello, participará como organizador del evento y también como ponente en el simposio Emerging 2d Materials And 2d Heterostructures: Synthesis, Characterization And Collective Phenomena, mientras que varios investigadores del IF darán conferencias como Nanostructured Plasmonic Materials impartida por Cecilia Noguez; Oliver Paz-Borbon en Nano-Alloys: Theory, Synthesis And Characterization, o Gabriela Díaz Guerro, quien participará en Advanced Catalytic Materials: Nano And Bulk. Esto es una muestra del papel y fuerza que ha adquirido el Instituto en la investigación de materiales.