Investigadores de la Universidad de Wollongong lograron un hito importante en el novedoso transporte de materia blanda al demostrar la transferencia de metal líquido de un ánodo a un cátodo sin crear un cortocircuito, desafiando las expectativas convencionales.
El equipo dirigido por el profesor Xiaolin Wang presenta un método mediante el cual los ánodos de metal líquido (específicamente metal líquido a temperatura ambiente, a base de galio) pueden fluir hacia los cátodos con una pequeña corriente eléctrica sin provocar un cortocircuito.
Los resultados, publicados en Nature Chemical Engineering el mes pasado, desafía los principios electroquímicos convencionales y ofrece perspectivas prometedoras para el desarrollo de conductores eléctricos reconfigurables.
"Las implicaciones de esta investigación se extienden a muchas aplicaciones potenciales", afirma el profesor Wang. "La transferencia continua de ida y vuelta de gotas de metal líquido y la controlabilidad de la transferencia abren nuevas vías para la robótica blanda y la ingeniería de dispositivos".
Convencionalmente, los ánodos cargados positivamente deberían provocar un cortocircuito cuando entran en contacto con un cátodo (consulte la Figura 1).
El nuevo y novedoso enfoque permite que el metal líquido fluya desde el ánodo hacia el cátodo sin causar tales interrupciones eléctricas (ver Figura 2).
En el experimento, las gotas de metal líquido adheridas a un ánodo se mueven hacia el cátodo debido a la oxidación electroquímica, ya que la oxidación electroquímica reduce la tensión interfacial del metal.
Normalmente, se inserta un electrodo sólido (por ejemplo, alambre de cobre) en el metal líquido para aplicar el voltaje que impulsa la oxidación electroquímica de la superficie del metal. Las reacciones electroquímicas ocurren más intensamente en el extremo del metal más cercano al cátodo, creando un gradiente de tensión superficial (es decir, un efecto Marangoni). Luego, el metal migra hacia el electrodo opuesto.
"En este punto, habría sido razonable esperar un cortocircuito cuando el metal líquido completa el circuito eléctrico", dice el autor principal, el Dr. Yahua He (UOW).
"Sin embargo, en nuestro experimento, aunque el metal se acerca y rodea el contraelectrodo, en realidad no lo toca, por lo que no se produce ningún cortocircuito". El metal líquido continúa fluyendo hacia el cátodo y rodeándolo hasta que finalmente el metal se desprende completamente del ánodo y se transfiere al cátodo (ver Figura 3a).
En resumen, el cortocircuito se evita con éxito y permite el desprendimiento selectivo y la transferencia simultánea de gotas de metal líquido de un electrodo a otro en medios acuosos. Se puede seleccionar que una gota se desprenda completamente de una superficie metálica y se transfiera simultáneamente a otra superficie metálica sin provocar un cortocircuito.
La capa de burbujas con un espesor crítico de 250 µm juega un papel dominante para proteger el metal líquido de cortocircuitos y facilitar el proceso de desprendimiento y transferencia sin problemas, mientras que los óxidos también pueden evitar que el metal líquido cortocircuite en una solución diluida de NaOH (≤ 0,25 M) con liquidez reducida.
El proceso es selectivo y depende de la distancia entre el cátodo y el metal líquido; sólo la gota de metal líquido más cercana se desprenderá y transferirá (Figura 3b-e).
Todos los ánodos de gotas de metal líquido tienen el mismo potencial y, por lo tanto, todos son impulsados a moverse hacia el cátodo. Sin embargo, para las gotas dispuestas equidistantemente (dos gotas en la Fig. 3b y cinco gotas en la Fig. 3c), solo una gota puede desprenderse y transferirse.
Como se muestra en la Figura 3b, hay dos gotas en lados equidistantes del cátodo. Compiten para deformarse y ambos avanzan hacia el cátodo. En este ejemplo, la gota izquierda llega primero al cátodo, luego comienza a rodear el cátodo, mientras que la gota derecha se retrae a su posición inicial (un escenario en el que el ganador se lo lleva todo). Como resultado, la gota izquierda se desprende completamente del ánodo y simultáneamente se transfiere al cátodo. La gota derecha permanece en la posición inicial y permanece unida al cable de cobre.
Para las gotitas dispuestas de manera no equidistante en la Figura 3d, solo la gotita más cercana al cátodo se desprende y transfiere selectivamente. Por tanto, la gota transferida se puede seleccionar moviendo el cátodo. Este método solo desprende y transfiere una gota a la vez.
Además, después de que una gota se transfiere al cátodo, puede servir posteriormente como un nuevo cátodo para separar y transferir otra gota. Esta capacidad permite un proceso de transferencia continua para sistemas de metal líquido con múltiples gotas.
Los mecanismos subyacentes detrás de este fenómeno implican burbujas de hidrógeno en el cátodo, una capa de óxido superficial ultrafina sobre el metal líquido y un efecto de apantallamiento. Estos factores previenen colectivamente los cortocircuitos y facilitan el desprendimiento selectivo y la transferencia de gotas de metal líquido.
Cuando el metal se acerca al cátodo, tres factores principales se vuelven importantes:1) burbujas de hidrógeno en el cátodo, 2) la capa de óxido superficial sobre el metal líquido y 3) efecto de cribado, como se muestra en las Figuras 4a-c.
Los dos primeros factores bloquean físicamente el cortocircuito (interfaz ilustrada en la Fig. 4d), mientras que el tercer factor permite el proceso selectivo de transferencia y desprendimiento de gotas. Es decir, cuando una gota de metal líquido rodea el cátodo, filtra las otras gotas. Como resultado, otras gotas interrumpen el proceso de oxidación y se retraen a sus posiciones iniciales.
Se puede realizar una transferencia continua de ida y vuelta de gotas de metal líquido invirtiendo la polaridad de los electrodos.
Como se muestra en la Figura 5a, cuando los electrodos se invierten después de que el metal líquido se ha transferido completamente al cátodo, el metal líquido regresa a la posición inicial. Además, la posición de transferencia se puede controlar colocando un cable de cobre entre los electrodos, como se muestra en la Figura 5b.
Cuando el LMD humedece el alambre de cobre, se fusiona con el alambre en un tiempo más corto en comparación con el alambre metálico no mojado. Luego, el LMD puede agarrar fácilmente el cable y tirar de él hacia la posición original, como tentáculos líquidos (Figura 5c).
Cuando se disponen dos tentáculos LM para llegar al cátodo al mismo tiempo colocando el cátodo más cerca de la gota derecha mientras se eleva ligeramente el lado izquierdo de la placa de Petri, se observa una "inhibición de contacto" análoga en la Figura 5d.
Cuando los LMD se encuentran en el cátodo, siguen fluyendo desde ambos ánodos hasta el cátodo único. Cuando un LMD se desprende de su ánodo, el otro se expande rápidamente mediante oxidación. Además, los tentáculos del LM navegarán hacia el cátodo en movimiento en busca de "energía", de forma análoga al fenómeno biológico de la quimiotaxis. El cátodo atrae los LMD debido a los gradientes de tensión interfacial.
Los tentáculos del LM podrían incluso girar para seguir el cátodo hacia la fuente de energía, como se muestra en la Figura 5e. Los tentáculos del LM pueden entrar en contacto o separarse entre sí moviendo el cátodo.
Aplicaciones
Esta manipulación puede ampliar estrategias útiles para los metales líquidos como conductores de forma reconfigurable para dispositivos y actuadores para robótica blanda.
Además, evitar los cortocircuitos tiene implicaciones para la ingeniería electroquímica, como el pronunciado impacto en el transporte convectivo de especies electroquímicamente activas, así como en la transferencia de calor cerca de los electrodos.
Esta investigación no sólo desafía los principios electroquímicos convencionales, sino que también ofrece perspectivas prometedoras para el desarrollo de conductores y actuadores de forma reconfigurable. Evitar los cortocircuitos tiene implicaciones importantes para la ingeniería electroquímica, destacando el profundo impacto en el transporte convectivo de especies electroquímicamente activas y la transferencia de calor cerca de los electrodos.
Más información: Yahua He et al, Transferencia de metal líquido de un ánodo a un cátodo sin cortocircuito, Ingeniería química de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s44286-024-00045-1
Información de la revista: Ingeniería Química de la Naturaleza
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