Imagínese un mundo en el que los teléfonos móviles y las computadoras portátiles se puedan cargar en cuestión de minutos en lugar de horas, enrollado y guardado en tu bolsillo, o se cayó sin sufrir ningún daño. Es posible, según el profesor Thomas H. Epps de la Universidad de Delaware, III, pero los materiales aún no están allí.

Entonces, ¿Qué está frenando la tecnología?

Para principiantes, se necesitaría más conductivo, baterías flexibles y más ligeras, dijo Epps, quien es Profesor Thomas y Kipp Gutshall de Ingeniería Química y Biomolecular y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UD.

Las baterías deberían ser más resistentes a los impactos y más seguras, también. En Mayo, un cigarrillo electrónico explotó en Florida y mató a un hombre. Según los informes, la evidencia sugiere que este desafortunado accidente puede deberse a problemas relacionados con la batería, según la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. Problemas similares han plagado dispositivos como el Samsung Galaxy Note 7 y las unidades de potencia auxiliares del Boeing Dreamliner.

"Todos estos desafíos provienen de baterías que tienen problemas de seguridad y estabilidad cuando el objetivo es impulsar el rendimiento, "dijo Epps, un experto en el diseño y fabricación de membranas conductoras útiles en dispositivos de generación y almacenamiento de energía.

Una forma de superar este desafío en las baterías de iones de litio para los dispositivos anteriores es mejorar las membranas de la batería, y los electrolitos asociados, que están diseñadas para transportar los iones de litio, que compensan la carga eléctrica asociada con la carga y descarga de la batería.

En UD, El equipo de Epps ha patentado una idea para mejorar el rendimiento de la batería mediante la introducción de conos en los electrolitos de la membrana de polímero que permiten que los iones de litio dentro de la batería viajen de un lado a otro más rápido.

Es una gran idea que comienza con partes diminutas.

Pequeña ciencia gran impacto

Todo comienza con polímeros, que son materiales hechos de pequeñas moléculas ensartadas como cuentas en un collar para crear una cadena larga. Al conectar químicamente dos o más cadenas de polímeros con diferentes propiedades, los ingenieros pueden crear polímeros en bloque que aprovechen las características sobresalientes de ambos materiales. Por ejemplo, El poliestireno en una taza de espuma de poliestireno es relativamente duro y quebradizo, mientras que el poliisopreno (extraído de un árbol de caucho) es viscoso y parecido a la melaza. Cuando esos dos polímeros se unen químicamente, los ingenieros pueden crear materiales para artículos cotidianos como neumáticos de automóvil y bandas de goma, materiales que mantienen su forma pero son resistentes a los impactos y elásticos.

Epps conoció los polímeros en bloque como estudiante de pregrado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts mientras trabajaba en el laboratorio de la profesora Paula Hammond, y nuevamente cuando trabajó en Goodyear Tire &Rubber Company bajo la dirección de Adel Halasa como parte de una beca GEM. Goodyear estaba explorando el uso de polímeros multicomponente en forma de cono para crear neumáticos con más elasticidad, neumáticos que se agarrarían mejor a la carretera sin sacrificar el rendimiento o la durabilidad.

Años después, en trabajo en UD, El grupo de Epps llevó la idea un paso más allá y se dio cuenta de que podían sintonizar la nanoescala (1/1, 000th del ancho de un cabello humano) estructura de estos polímeros para imbuir materiales con ciertas mecánicas, propiedades térmicas y de conductividad.

Uno de los beneficios de los polímeros en bloque es que permiten a los científicos combinar dos o más componentes que a menudo son químicamente incompatibles. lo que significa que no se mezclan (piense en aceite y agua). Este mismo beneficio, sin embargo, puede presentar desafíos con respecto a cómo se pueden procesar los materiales. El grupo Epps determinó que la reducción de la región donde se conectan las dos cadenas de polímero distintas puede promover la mezcla entre materiales altamente incompatibles de una manera que hace que el procesamiento y la fabricación sean más rápidos y económicos al requerir menos energía o menos solvente en el proceso de fabricación.

La manipulación del cono también permitió a los investigadores controlar las estructuras a nanoescala que pueden formar los polímeros de bloque. Al incorporar las velas, El equipo de Epps puede crear redes a nanoescala que hacen que los materiales de la batería sean más conductores, introduciendo carreteras a nanoescala y eliminando los cuellos de botella del tráfico. permitiendo que los iones se muevan a velocidades más altas y haciendo que el polímero sea más eficiente en aplicaciones de batería.

"Técnicamente, queremos conducir iones más rápido ... este enfoque en polímeros nos permitiría obtener más energía de las baterías. Permitiría que las baterías se carguen más rápido, de una manera que también sea más segura. Aún no estamos allí, pero ese es el objetivo, "dijo Epps, quien patentó el concepto a través de la Oficina de Alianzas e Innovación Económica de la UD.

Él llama a este trabajo un "enfoque de diseñador" para la ciencia de los polímeros.

Priyanka Ketkar, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular, quiere marcar la diferencia en el mundo a través de la investigación. Ketkar describió al grupo de investigación de Epps como una buena opción, donde ella está ejercitando su músculo mental en problemas consecuentes relacionados con el almacenamiento de energía.

En experimentos de laboratorio, Ketkar y otros en el grupo Epps han demostrado que la introducción de una región cónica entre las cadenas de electrolitos de polímero en realidad aumentaba la conductividad iónica general en un rango de temperaturas. A temperatura ambiente, por ejemplo, los materiales ahusados ​​son dos veces más conductores que sus homólogos no ahusados. Pero eso no es todo. El cono mejora la capacidad de procesamiento del material, también.

"Los métodos anteriores para aumentar la conductividad han hecho que el polímero sea más difícil de procesar o han utilizado mayores cantidades de solvente químico, lo que hace que el material sea más inflamable y menos ecológico, "Dijo Ketkar." Es por eso que estoy realmente emocionado con este nuevo enfoque ".

Los polímeros de diseño son útiles para baterías de iones de litio, pero también aplicable a otros sistemas recargables, como baterías de iones de sodio y de iones de potasio, Dijo Epps. Otras aplicaciones incluyen el uso de polímeros cónicos para fabricar materiales que se pueden producir a temperaturas más bajas o con menos solvente para aplicaciones como neumáticos, bandas de goma y adhesivos.

Las aplicaciones futuras incluyen baterías flexibles

A medida que avanza la tecnología, Epps espera que los próximos cinco a 10 años marquen el comienzo de una gran cantidad de dispositivos que pueden flexionarse y rodar, como teléfonos celulares y computadoras.

"La única forma en que esto funciona es si todos los componentes son flexibles, incluyendo la batería y las unidades de potencia, no solo el caso, pantalla o botones, ", Dijo Epps." Este aspecto es donde los polímeros en bloque se vuelven realmente ideales porque, como una banda de goma que recuerda su forma a pesar de estirarse, flexión y otras manipulaciones, con polímeros, Puede hacer que los componentes internos sean más resistentes a los impactos y que absorban los golpes, lo que mejorará la vida útil del teléfono ".

Puede haber otras aplicaciones para polímeros de diseño, también.

"¿Qué pasaría si hubiera un sensor dentro del balón diseñado para alertar a los oficiales cuando un jugador cruza una distancia específica? decir por primera vez, "Dijo Epps." No tendrías que depender de la vista de un oficial en el campo de la jugada o de la repetición instantánea ".

Pero, los balones de fútbol se lanzan y los jugadores que los sostienen a menudo son golpeados.

"Necesitaría algo que no se rompa ni gotee, así que usando un polímero que tiene las propiedades materiales de digamos, una goma elástica, que también puede conducir iones como una batería sería una solución perfecta, ", Dijo Epps." Esta avenida es una de las direcciones en las que se puede imaginar el florecimiento de estos materiales ".

Epps fue nombrado recientemente miembro de la Royal Society of Chemistry, con sede en el Reino Unido. Para recibir este honor, los científicos deben haber tenido un impacto en las ciencias químicas.