Investigadores de la Universidad de Osaka investigaron los cambios de energía térmica a través de nanoporos que permiten el flujo selectivo de iones. La interrupción del flujo de iones en una dirección produjo un efecto de enfriamiento. Los hallazgos tienen aplicaciones en dispositivos nanofluídicos y brindan información sobre los factores que gobiernan los canales iónicos en las células. El material de nanoporos podría adaptarse para ajustar el enfriamiento y se podrían producir matrices para aumentar el efecto.

¿Alguna vez te has preguntado cómo hierve el agua en un hervidor eléctrico? La mayoría de la gente puede pensar que la electricidad simplemente calienta la bobina metálica dentro del hervidor, que luego transfiere el calor al agua. Pero la electricidad puede hacer más que eso. Se puede generar calor cuando la electricidad hace fluir los iones en solución. Cuando todos los iones y las moléculas circundantes pueden moverse libremente, este efecto de calentamiento se equilibra en toda la solución. Ahora investigadores de Japón han investigado qué sucede cuando este flujo se bloquea en una dirección.

En un estudio publicado en Device , el equipo dirigido por investigadores de SANKEN (Instituto de Investigación Científica e Industrial) de la Universidad de Osaka ha demostrado que es posible lograr el enfriamiento utilizando un nanoporo (un agujero muy pequeño en una membrana) como puerta de entrada que solo permite que ciertos iones a través.

En general, el uso de electricidad para impulsar iones en soluciones atrae iones cargados positivamente e iones cargados negativamente en direcciones opuestas. Entonces, la energía térmica transportada por los iones viaja en ambos sentidos.

Si el camino de los iones está obstruido por una membrana a la que sólo puede pasar un nanoporo, entonces es posible controlar el flujo. Por ejemplo, si la superficie del poro está cargada negativamente, entonces los iones negativos pueden interactuar con ella en lugar de atravesarla, y solo los iones positivos fluirán, llevándose su energía con ellos.

"A altas concentraciones de iones medimos un aumento de la temperatura a medida que aumentaba la energía eléctrica", explica el autor principal del estudio, Makusu Tsutsui. "Sin embargo, en concentraciones bajas los iones negativos disponibles interactuaban con la pared del nanoporo cargada negativamente. Por lo tanto, sólo los iones cargados positivamente pasaban a través del nanoporo y se observaba una disminución de la temperatura."

La refrigeración iónica que se demostró podría usarse para enfriar sistemas de microfluidos, configuraciones que se utilizan para mover, mezclar o investigar volúmenes muy pequeños de líquidos. Estos sistemas son importantes en muchas disciplinas, desde la microelectrónica hasta la nanomedicina.

Además, los hallazgos podrían ayudar a mejorar la comprensión de los canales iónicos, que desempeñan funciones cruciales en la maquinaria finamente equilibrada de las células. Esta información podría ser clave para comprender la función y la enfermedad, así como para diseñar tratamientos.

"Estamos entusiasmados por la amplitud del impacto potencial de nuestros hallazgos", dice el autor principal del estudio, Tomoji Kawai. "Existe un margen considerable para adaptar el material de nanoporos para ajustar el enfriamiento. Además, se podrían crear conjuntos de nanoporos para amplificar el efecto".

La lista de áreas que podrían mejorarse con los hallazgos es realmente considerable y se extiende al uso de un gradiente de temperatura para generar potencial eléctrico. Esto podría aplicarse a la detección de temperatura o a la recolección de energía azul.

Más información: Makusu Tsutsui et al, Refrigeración Peltier para gestión térmica en dispositivos nanofluídicos, Dispositivo (2023). DOI:10.1016/j.device.2023.100188

Información de la revista: Dispositivo

Proporcionado por la Universidad de Osaka