Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge revela un sorprendente descubrimiento que podría transformar el futuro de los dispositivos electroquímicos. Los hallazgos ofrecen nuevas oportunidades para el desarrollo de materiales avanzados y un rendimiento mejorado en campos como el almacenamiento de energía, la computación similar al cerebro y la bioelectrónica.

Los dispositivos electroquímicos se basan en el movimiento de partículas cargadas, tanto iones como electrones, para funcionar correctamente. Sin embargo, comprender cómo se mueven juntas estas partículas cargadas ha presentado un desafío importante, lo que dificulta el progreso en la creación de nuevos materiales para estos dispositivos.

En el campo de la bioelectrónica, que evoluciona rápidamente, los materiales conductores blandos conocidos como polímeros conjugados se utilizan para desarrollar dispositivos médicos que se pueden utilizar fuera de los entornos clínicos tradicionales. Por ejemplo, este tipo de materiales se puede utilizar para fabricar sensores portátiles que controlen la salud de los pacientes de forma remota o dispositivos implantables que traten enfermedades de forma activa.

El mayor beneficio de usar electrodos de polímeros conjugados para este tipo de dispositivos es su capacidad para acoplar perfectamente los iones, responsables de las señales eléctricas en el cerebro y el cuerpo, con los electrones, los portadores de señales eléctricas en los dispositivos electrónicos. Esta sinergia mejora la conexión entre el cerebro y los dispositivos médicos, traduciendo efectivamente entre estos dos tipos de señales.

En este último estudio sobre electrodos de polímeros conjugados, publicado en Nature Materials, los investigadores informan sobre un descubrimiento inesperado. Se cree convencionalmente que el movimiento de los iones es la parte más lenta del proceso de carga porque son más pesados ​​que los electrones. Sin embargo, el estudio reveló que en los electrodos de polímeros conjugados, el movimiento de los « agujeros » (espacios vacíos para que se muevan los electrones) puede ser el factor limitante en la rapidez con la que se carga el material.

Usando un microscopio especializado, los investigadores observaron de cerca el proceso de carga en tiempo real y descubrieron que cuando el nivel de carga es bajo, el movimiento de los agujeros es ineficiente, lo que hace que el proceso de carga se ralentice mucho más de lo previsto. En otras palabras, y contrariamente al conocimiento estándar, los iones se conducen más rápido que los electrones en este material en particular.

Este hallazgo inesperado proporciona información valiosa sobre los factores que influyen en la velocidad de carga. De manera emocionante, el equipo de investigación también determinó que al manipular la estructura microscópica del material, es posible regular la rapidez con que se mueven los agujeros durante la carga. Este nuevo control y la capacidad de ajustar la estructura del material podrían permitir a los científicos diseñar polímeros conjugados con un rendimiento mejorado, lo que permitiría procesos de carga más rápidos y eficientes.

« Nuestros hallazgos desafían la comprensión convencional del proceso de carga en dispositivos electroquímicos », dijo el primer autor Scott Keene, del Laboratorio Cavendish y la División de Ingeniería Eléctrica de Cambridge. « El movimiento de los agujeros, que actúan como espacios vacíos para que se muevan los electrones, puede ser sorprendentemente ineficiente durante niveles bajos de carga, lo que provoca ralentizaciones inesperadas ».

Las implicaciones de estos hallazgos son de gran alcance y ofrecen una vía prometedora para la investigación y el desarrollo futuros en el campo de los dispositivos electroquímicos para aplicaciones como la bioelectrónica, el almacenamiento de energía y la computación similar al cerebro.

« Este trabajo aborda un problema de larga data en la electrónica orgánica al iluminar los pasos elementales que tienen lugar durante el dopaje electroquímico de polímeros conjugados y destaca el papel de la estructura de banda del polímero », dijo George Malliaras, autor principal del estudio y Prince Philip Profesor de Tecnología en la División de Ingeniería Eléctrica del Departamento de Ingeniería.

« Con una comprensión más profunda del proceso de carga, ahora podemos explorar nuevas posibilidades en la creación de dispositivos médicos de vanguardia que pueden integrarse perfectamente con el cuerpo humano, tecnologías portátiles que brindan monitoreo de salud en tiempo real y nuevas soluciones de almacenamiento de energía con mayor eficiencia », concluyó el profesor Akshay Rao, coautor principal, también del Laboratorio Cavendish de Cambridge.