Los Líquidos Iónicos a Temperatura Ambiente Muestran Efectos Piezoeléctricos

^{University of Massachusetts-Amherst/Lovley}

^{Por Dra. Inés Urdaneta / Físico de Resonance Science Foundation}

 Un equipo de la Universidad Estatal de Michigan ha descrito por primera vez el efecto piezoeléctrico en fase líquida. Como se explicará más adelante en este artículo, esto fue totalmente inesperado porque se pensaba que el efecto procedía únicamente de cambios en la forma de una muestra debidos a tensión mecánica o presión y, por tanto, sólo podía afectar a sólidos (como ciertos cristales) y muestras biológicas (como el hueso). 

El hecho de que el efecto se descubriera en líquidos iónicos y no en los líquidos comunes de composición neutra es probablemente uno de los principales factores de este descubrimiento, que podría aportar una nueva comprensión física de la fase líquida en un sentido más amplio. 

Los líquidos iónicos (LI) son sales en estado líquido, lo que significa que estas sales están "fundidas" en sus componentes iónicos o de carga. En conjunto, el líquido es neutro, pero sus unidades no lo son; son iones, que son átomos que han perdido (cationes) o ganado (aniones) carga negativa. Los cationes son los iones con carga positiva y los aniones son los iones con carga negativa. Como las estructuras cristalinas de las sales se deben a las fuerzas iónicas entre cargas, que se supone que son más fuertes que otras fuerzas de enlace como las fuerzas de Vander Waals, tienen altas energías de red que se manifiestan en altos puntos de fusión. Por ejemplo, la sal común Na⁺Cl^- -compuesta por los cationes Na⁺ y los aniones Cl^- se funde a casi 800 grados Celsius, punto en el que podría considerarse un líquido iónico.

Algunos tipos de sales, especialmente las que contienen iones orgánicos, tienen bajas energías de red y, por tanto, son líquidas a temperatura ambiente o inferior, razón por la que ahora se denominan líquidos iónicos a temperatura ambiente (LTI). Los IL tienen muchas aplicaciones importantes; son medios potenciales de transferencia y almacenamiento de calor en sistemas de energía solar térmica, y ayudan al reciclado de productos sintéticos, plásticos y metales, ofreciendo la especificidad necesaria para separar compuestos similares entre sí, como la separación de polímeros en flujos de residuos plásticos. Debido a su baja presión de vapor, los IL también pueden sustituir al agua como electrolito en las baterías de metal-aire [1].

^{Figura 1: Líquidos iónicos a temperatura ambiente (RTIL) (a)BMIM+TFSI- y (b) HMIM+TFSI-. En ambos casos, el catión está a la izquierda y el anión a la derecha.  Apreciamos la notable complejidad estructural de las RTIL orgánicas si las comparamos con la sal inorgánica común Na+Cl-.}  

• El efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico directo se refiere a la producción de carga en un material al aplicar una fuerza mecánica o presión, y se entiende que esto ocurre en base a la distorsión de la estructura del material en la celda unitaria o escala molecular. El proceso inverso también es cierto, un campo eléctrico aplicado resulta en la generación interna de una tensión mecánica. Hasta la fecha, los efectos piezoeléctricos sólo se habían observado en materiales en fase sólida, concretamente en materiales cristalinos no centrosimétricos, como el cuarzo, el LiNbO₃, o el BaTiO₃. Aunque también se había observado en cerámicas y muestras biológicas como hueso y ADN. 

Ahora, por primera vez, los químicos Iqbal Hossain y G. J. Blanchard de la Universidad Estatal de Michigan informan de la observación del efecto piezoeléctrico directo en (RTILs) [2]. Los RTILs estudiados fueron la bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-butil-3-metil imidazolio, abreviada como (BMIM+TFSI-) y la bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-hexil-3-metil imidazolio, abreviada como (HMIM+TFSI-). Ambos compuestos se representan en la figura 1, donde el BMIM+TFSI- se encuentra en el lado izquierdo.

Estos materiales piezoeléctricos líquidos se descubrieron cuando los investigadores aplicaron presión con un émbolo a una muestra de un líquido iónico en un cilindro, descubriendo que esto provocaba una liberación de electricidad; producían un potencial eléctrico al aplicar fuerza cuando estaban confinados en la celda, siendo la magnitud del potencial directamente proporcional a la fuerza aplicada y el efecto observado era un orden de magnitud menor que el observado en el cuarzo.

^{Figura 1. Esquema de la célula utilizada para medir el efecto piezoeléctrico directo en RTILs. El pistón no es conductor (Delrin) y contiene un electrodo a lo largo de su eje central. El cilindro es de acero. El sistema está sellado mediante una junta tórica. Tomado de [1].}

Este resultado fue una sorpresa para los científicos, una observación casual. También descubrieron que las propiedades ópticas de los RTIL cambiaban, como el índice de refracción (en cómo el líquido curvaba la luz), cuando liberaban electricidad. El descubrimiento de este efecto y sus efectos secundarios tiene implicaciones fundamentales sobre la organización y la dinámica de los líquidos iónicos. Aunque hay que encontrar la explicación teórica de este mecanismo.

^{Figura 3: (a) Potencial medido frente a datos experimentales brutos de tiempo para BMIM+TFSI- (a, b) y HMIM+TFSI- (c, d). Los valores indicados sobre cada pico son la fuerza aplicada. El tiempo de barrido para la medición del potencial de circuito abierto mostrado fue de 400 s. en (b) y de 200 s en (d). (b) y (d) representan el potencial medido frente a la fuerza aplicada para múltiples barridos temporales. La pendiente de la dependencia es 16 ± 1 mV/N en (b) y 17 ± 1 mV/N en (d). La dependencia del potencial de circuito abierto con la fuerza aplicada se presenta (b y d) , revelando una dependencia lineal en el rango estudiado. El caso de control, en el que la célula se rellena con etilenglicol puro (líneas rojas) o NaCl 1 M en etilenglicol (líneas negras), en ausencia de fuerza (e) y con la aplicación de fuerza (f) de la misma manera que para las RTILs. El potencial de circuito abierto es de 350 mV o menos en todos los casos. Tomado de [1].}

El efecto piezoeléctrico en un líquido sigue siendo un reto por varias razones, la principal es que la firma del efecto piezoeléctrico es un cambio en las dimensiones de un material al aplicar un potencial a través del material y, por definición, el líquido es un material que adopta la forma de su contenedor, lo que dificulta la caracterización de tales cambios de forma.

En segundo lugar, los RTILs han demostrado la existencia de un gradiente de densidad de carga inducido que persiste a lo largo de múltiples decenas de micrómetros, por lo tanto, los RTILs no pueden ser entendidos en el mismo marco conceptual que los líquidos moleculares donde su comportamiento está bien caracterizado y donde los efectos de la separación y reorganización de cargas ocurre en un dominio de tamaño o escala mucho menor, del orden de los nanómetros.

Además, la idea de que este efecto piezoeléctrico no podría producirse en una fase líquida, cuando claramente no es así, es un fuerte indicio de que muchos mecanismos termodinámicos siguen sin estar claros. Cabe preguntarse si estamos asistiendo a un proceso electrogravitodinámico fluido, y si este descubrimiento puede aportar una comprensión revolucionaria que insinúe la relación entre carga y masa. 

RSF en perspectiva –

En principio, los líquidos iónicos no incluirían líquidos como el agua o los disolventes orgánicos (aceite, etc.) porque estos últimos son líquidos presumiblemente compuestos por moléculas eléctricamente neutras como las unidades de H₂0, en el caso del agua, que se unen entre sí a través de las fuerzas de Vander Waals y los puentes de hidrógeno, aunque este panorama no está del todo claro.

Recordemos, por ejemplo, los trabajos de la bioquímica mexicana María Esther del Río, que descubrió grupos de moléculas de agua que denominó agua de cristal líquido [3], mucho antes de los trabajos de Gerard Pollack [4] y otros. Descubrió un tipo muy especial de agua o Agua de Cristal Líquido, llegando a la conclusión de que toda el agua que entra en nuestro cuerpo se dispone en nuestras células en forma de clatratos, que en este caso son 37 moléculas de H₂0, en una geometría muy estable relativa a dodecaedros y octaedros, siendo su fórmula (H₂0)₃₇. El agua de cristal líquido podría tener la capacidad de guardar y almacenar información y, lo que es más importante, la capacidad de retransmitir, del mismo modo que lo hace un microchip de ordenador. 

La sal diluida en agua también se considera un electrolito porque los cristales de sal se disuelven separándose en sus formas iónicas Na+ y Cl- por solvatación, aunque la posibilidad de considerar este sistema combinado como un líquido iónico en función de su concentración de iones, es improcedente porque su concentración tendría que ser muy alta respecto a las moléculas neutras de agua y como sabemos, cuando el agua alcanza su punto de saturación, el exceso de sal precipita en forma de cristales, por lo que ya no está en estado líquido. Presumiblemente, este caso nunca podría convertirse en un líquido iónico capaz, en principio, de mostrar el efecto piezoeléctrico. 

Sin embargo, debido a la extrema complejidad de las interacciones intra e interatómicas/moleculares en los líquidos, cabe preguntarse si realmente hemos entendido cómo explicar la distribución y configuración de la carga interna en fase líquida. Por ejemplo, podríamos pensar que como el agua EZ (la zona de exclusión en el agua[4]) muestra separación de cargas en esas regiones EZ, podría considerarse similar a una sal en estado líquido, capaz de presentar piezoelectricidad.

Referencias:

[1] Anirban Paul et al. Review article Room-Temperature Ionic Liquids for Electrochemical
Application with Special Focus on Gas Sensors, J. Electrochem. Soc. 167, 037511(2020).

[2] Md. Iqbal Hossain et al, Ionic Liquids Exhibit the Piezoelectric Effect, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00329

[3] https://www.toroidalfields.com/science/dr-esther-del-rio-we-humans-are-the-best-quantum-computers/

[4] Hwang, SG, Hong, JK, Sharma, A, Pollack, GH and Bahng GW: Exclusion zone and heterogeneous water structure at ambient temperature. PLoS ONE 13(4): e0195057. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195057  (2018).