Una esfera y un cubo se pueden deformar entre sí sin cortes ni puntadas. Una taza y un vaso no pueden porque, deformar el primero en el segundo, el mango debe romperse. La topología es la rama de las matemáticas que formaliza esta diferencia entre tazas y vasos, extendiéndolo también a espacios abstractos de múltiples dimensiones. Una nueva teoría desarrollada por científicos de SISSA en Trieste ha logrado establecer una nueva relación entre la presencia o ausencia de 'asas' en el espacio de las disposiciones de átomos y moléculas que componen un material, y la propensión de estos últimos a conducir electricidad. Según esta teoría, los materiales aislantes 'equipados con asas' pueden conducir tanto la electricidad como los metales, conservando las propiedades típicas de los aislantes, como la transparencia.

La investigación, que acaba de ser publicado en la revista Revisión física X , es lo último del fascinante y próspero mundo de la topología, una disciplina abstracta que le da un control potente (¡juego de palabras!) a algunas de las propiedades más exóticas de la materia. De este modo, Los científicos de la Escuela de Trieste han investigado cómo estimar rigurosamente el transporte de carga y las corrientes en fluidos iónicos genéricos, de acuerdo con la naturaleza cuántica del material.

Así, han desarrollado una teoría para explicar los fenómenos físicos que se conocen desde hace más de un siglo pero que hasta ahora carecían de una base interpretativa rigurosa y un marco predictivo. sentando así las bases para importantes desarrollos tecnológicos, por ejemplo en el campo de los materiales termoeléctricos.

Metales y agua mineral, reflexión y transparencia

"Por lo general, dividimos los materiales en conductores y aislantes según su propensión a conducir electricidad o no, "explican los autores de la investigación Paolo Pegolo, Federico Grasselli y Stefano Baroni. "En un metal, que es un conductor típico, algunos electrones se mueven libremente dentro de la red cristalina iónica. Sin embargo, algunos líquidos, como el agua mineral, también conducen electricidad, gracias al transporte de iones cargados que se disuelven en ellos. En este caso, hablamos de conductores iónicos, que son transparentes, mientras que los metales son reflectantes ". Los fluidos iónicos fueron el foco de un estudio reciente." Queríamos desarrollar una teoría basada en la naturaleza cuántica de los átomos y capaz de describir el transporte de carga en este tipo de conductores "explican los científicos. Una explicación sólida del fenómeno también podría ser útil para crear nuevos materiales con propiedades eléctricas sin precedentes ".

Topología al servicio de la física

Los académicos han tomado prestadas las herramientas matemáticas de la topología. Pegolo, La teoría de Grasselli y Baroni ha vinculado así el transporte en fluidos iónicos con la existencia en un espacio abstracto de estructuras que presentan huecos o asas. "Si estas estructuras existen, es posible transportar electrones sin mover los iones, mejorando así significativamente las propiedades de conducción eléctrica de un material al tiempo que lo deja no metálico y por lo tanto transparente. En ausencia de agujeros o asas, los electrones permanecen unidos a su átomo y la conducción es menos eficiente. "" Estos fenómenos, "Continúan los investigadores" se conocen en física desde hace al menos cien años. Nuestra investigación les da una base matemática elegante y poderosa y una estructura de apoyo teórico confiable ".

Posibles desarrollos tecnológicos

Esta teoría encuentra aplicación en la ciencia de los materiales termoeléctricos, que son tanto más eficientes cuanto más capaces son de garantizar la conducción de la electricidad sin calentarse. Los investigadores concluyen, “Los materiales descritos en esta teoría no tienen propiedades metálicas y por tanto favorecen el aislamiento térmico, pero la presencia de electrones que son lo suficientemente móviles para ser transportados aumenta su conductividad eléctrica. Ambas son cualidades importantes que, a nivel tecnológico, podría contribuir en gran medida al desarrollo de dispositivos más eficientes y avanzados ".

La ciencia de los materiales electrolíticos también podría beneficiarse de los resultados de esta investigación, porque una mejor comprensión de la conducción en ausencia de metalicidad puede conducir a diseñar baterías que sean eficientes y electroquímicamente estables.