Una técnica desarrollada por un profesor español desvela lo invisible

Métodos convencionales como los rayos X, el TAC o la resonancia magnética permiten ver partes del interior de cuerpos y objetos sin abrirlos. Esos extraordinarios avances tienen una limitación: los fluidos y el comportamiento de los elementos químicos que los componen a lo largo del tiempo son invisibles. Una investigación dirigida por el español Antoni Forner-Cuenca, profesor de materiales y sistemas electroquímicos en la Universidad de Tecnología de Eindhoven (Países Bajos) tras pasar por el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), ha conseguido saltar esa barrera. Utilizando radiografías de neutrones ha desvelado la composición y la conducta de los elementos internos en una batería en funcionamiento. No se puede usar en organismos vivos por el efecto de la radiación, pero es una puerta al mundo invisible que recoge Nature Communications.

La Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA, por sus siglas en ingles), define la “imagenología neutrónica” como una técnica no destructiva para analizar la estructura de una muestra a partir de un haz de neutrones que la atraviesa y se atenúa según su composición y forma. Los resultados que aporta son fundamentales para análisis electroquímicos de las pilas de combustible, el estudio de la eficiencia dinámica y el rendimiento de baterías o motores, el control de calidad en la industria automovilística, aviación y construcción, el estudio no invasivo de objetos del patrimonio cultural y de muestras biológicas, la geología, el examen del combustible nuclear o la investigación de materiales.

La investigación de Forner-Cuenca y su equipo ha dado un paso más y, según explica el investigador español, ha desarrollado y demostrado en una batería de flujo un método de imagen con neutrones para visualizar concentraciones en líquidos y su comportamiento.

“En una batería, hay una serie de procesos que ocurren dentro y que determinan el rendimiento, la eficiencia y la vida útil de esta. Hasta ahora era una caja negra. Se podía medir el voltaje y la corriente eléctrica, pero se desconocía qué ocurría dentro. Con nuestro método podemos hacer fotos y vídeos de esos procesos durante el funcionamiento de la batería y ver cómo cambian las concentraciones dentro de la celda electroquímica“, explica.

Los magos que desvelan lo hasta ahora invisible son los neutrones, las partículas subatómicas sin carga neta y que, por esta característica, no interaccionan con las nubes electrónicas. El neutrón atraviesa la estructura externa del objeto como si fuera transparente, pero se atenúa al encontrarse moléculas que contienen hidrógeno o boro.

La aplicación industrial es evidente, especialmente para mejorar la eficiencia en las baterías de flujo analizadas, que son clave para la energía de fuentes renovables por su capacidad de almacenamiento a gran escala y larga duración. “Veo aplicaciones en varios proceses de la industria química – donde hay conversiones de moléculas en fase líquida - o para entender cómo funcionan prototipos”, añade Forner-Cuenca.

Las imágenes de los espacios que eran invisibles han desvelado los movimientos de las moléculas, cómo fluctúan en las fases de carga o descarga, las zonas más inactivas o la precipitación de sólidos. Toda esa información permite diseñar baterías más eficientes.

“La investigación ha sido liderada por el investigador español Forner-Cuenca y su equipo (Maxime van der Heijden, Remy R. Jacquemond, y Emre B. Boz) en la universidad de tecnología de Eindhoven, en colaboración 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 días de forma ininterrumpida y con mediciones cada 30 segundos.

La línea de trabajo de la universidad europea es compartida por otras entidades internacionales porque, como explica Santanu Roy, coautor de una investigación publicada en Journal of the American Chemical Society, “una mejor capacidad para predecir y calcular los comportamientos microscópicos, así como la obtención de datos fiables, ayudan a desarrollar mejores modelos”.

El científico, que investiga sales fundidas como combustible y refrigerante de reactores, explica que “el comportamiento químico, estructural y dinámico de las sales a nivel atómico es difícil de entender”. Cuando un haz de neutrones se dirige a una muestra, muchos de ellos pasan a través del material, pero algunos interactúan directamente con los núcleos atómicos y “rebotan” en un ángulo, como pelotas que chocan en un juego de billar. Usando detectores especiales, los científicos cuentan los neutrones dispersos, miden sus energías y los ángulos en los que se dispersan y mapean sus posiciones finales. Esto hace posible la obtención de detalles sobre la naturaleza de los materiales, desde los cristales líquidos hasta las cerámicas superconductoras, desde las proteínas hasta los plásticos, y desde los metales hasta los imanes de vidrio metálicos.

También en la línea de mejorar el rendimiento de dispositivos, la Universidad de Osaka (Japón) ha usado neutrones para medir temperaturas interiores de los componentes electrónicos de forma rápida y precisa. El método, publicado también por Nature Communications utiliza una técnica llamada “absorción por resonancia de neutrones” para examinar los que son absorbidos por los núcleos atómicos a ciertos niveles de energía y deducir las propiedades del material. “Esta tecnología permite medir la temperatura de forma instantánea [100 nanosegundos] y, como no es destructiva, se puede usar para monitorear dispositivos como baterías y dispositivos semiconductores”. explica Zechen Lan, autor principal del trabajo.