Científicos brasileños dan a conocer sus descubrimientos en electrostática

Un grupo de investigación descubre la electricidad proveniente de la humedad y devela los mecanismos de la generación de energía por rozamiento. Los resultados se difundieron en la FAPESP Week Beijing

Por Elton Alisson, desde Beijing

Agência FAPESP – Pese a su importancia para la comprensión de fenómenos relacionados con la electricidad atmosférica ‒los rayos, por ejemplo‒, y de haber dado origen a tecnologías tales como la de la fotocopia, el área de electrostática permanecía prácticamente estancada hasta la pasada década, en razón de la falta de nuevas teorías y de técnicas experimentales que permitiesen identificar y clasificar adecuadamente qué entidades ‒iones o electrones‒ dotan de carga a los materiales, según afirman los expertos del área.

Pero un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación en Materiales Funcionales Complejos (Inomat) –uno de los INCTs que cuentan con el apoyo de la FAPESP y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) en el estado de São Paulo– ha realizado descubrimientos que aportan al avance en este campo.

Algunos de los principales resultados de estudios llevados a cabo en el Inomat se dieron a conocer el día 16 de abril, durante el Simposio Brasil-China para la Colaboración Científica – FAPESP Week Beijing, realizado en Beijing, China.

El evento, organizado por la FAPESP junto a la Peking University (PKU, por sus siglas en inglés), reunió hasta el día 18 de abril a científicos de ambos países para discutir estudios producidos en las áreas de Ciencia de Materiales, Medio Ambiente, Energías Renovables, Agricultura, Ciencias de la Vida, Medicina y Salud, con la intención de fomentar la colaboración científica.

“Los nuevos modelos de distribución de carga electrostática han abierto posibilidades para el desarrollo de materiales que no presentan los problemas atribuidos a la electrización, tales como el incendio espontáneo, por ejemplo”, declaró Fernando Galembeck, docente del Instituto de Química de la Universidad Campinas (Unicamp) y coordinador del Inomat, a Agência FAPESP.

“Los descubrimientos en el área podrán contribuir además, en un futuro, en el área de generación de energía”, evaluó Galembeck, quien también es director del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LNNANO), del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM).

Los científicos del grupo de Galembeck en el Inomat descubrieron en los últimos años que el agua presente en la atmósfera puede adquirir cargas eléctricas y transferírselas a superficies y otros materiales sólidos o líquidos.

Mediante un experimento en que utilizaron minúsculas partículas de sílice y fosfato de aluminio, los investigadores demostraron que, cuando se la expone a alta humedad, la sílice aumenta su carga negativa, en tanto que el fosfato de aluminio gana en carga positiva.

El descubrimiento de la electricidad proveniente de la humedad –a la que los científicos brasileños denominaron “higroelectricidad”– fue descrita en un artículo publicado en 2010 en la revista Langmuir, de la Sociedad Norteamericana de Química.

Según Galembeck, este descubrimiento abrió el camino hacia el desarrollo de “agua electrizada” –con exceso de carga eléctrica– en condiciones claramente definidas, que puede ser útil para el desarrollo de sistemas hidráulicos.

“En lugar de la presión, el signo utilizado en un sistema hidráulico a base de agua electrizada podría ser el potencial eléctrico, pero con corriente muy baja, de la propia agua”, explicó.

Otra posibilidad más distante sería el desarrollo de dispositivos capaces de recolectar electricidad directamente en la atmósfera, o en los rayos. “Hemos realizado algunos intentos en tal sentido, pero no hemos obtenido resultados interesantes hasta ahora”, comentó Galembeck. “Pero la posibilidad de captar la electricidad en la atmósfera existe, y ya hemos descrito un capacitor cargado espontáneamente cuando se lo expone al aire húmedo.”

La triboelectrización

El más reciente aporte del grupo de investigadores del Inomat al avance del conocimiento sobre la electrostática consistió en develar algunos de los mecanismos implicados en la triboelectrización, o la generación de electricidad por rozamiento.

Se considera que la triboelectrización es el fenómeno electrostático más común. Hasta hace algunas décadas, no se lo comprendía muy bien y sólo empezó a estudiárselo mejor a partir de finales de la década de 1990, tal como comentó Galembeck.

Mediante experimentos con politetrafluoretileno –un tipo de polímero aislante–, los científicos brasileños demostraron que la fricción entre las superficies de materiales conductores (dieléctricos) produce patrones fijos y estables de cargas eléctricas, con una distribución no uniforme en ambas caras del material.

De acuerdo con Galembeck, este descubrimiento echó por tierra la idea de que materiales tales como el vidrio, la fibra sintética, la lana y el aluminio presentan una tendencia a adquirir solamente cargas positivas o sólo negativas cuando se los frota.

En un artículo publicado en agosto en la revista Scientific Reports –una publicación de acceso abierto del grupo Nature– el grupo brasileño demostró que, en algunos casos, el principal componente de la fricción es precisamente la triboelectrización. “La triboelectrización crea interacciones entre los materiales que aumentan o incluso reducen el rozamiento”, dijo Galembeck.

Según el profesor, este descubrimiento puede contribuir al desarrollo de materiales más resistentes al desgaste ocasionado por el rozamiento para las zapatas de frenos y los neumáticos de los automóviles, por ejemplo, o con menor consumo de energía.

“Se estima que el 30% de toda la energía producida en el mundo se disipa o se desperdicia debido al rozamiento”, afirmó Galembeck. “De lograr controlar el rozamiento de los materiales, sería posible consumir una cantidad menor de energía que la que utilizamos en la actualidad.”

Puede leerse el artículo intitulado Charge partitioning at gas solid interfaces: humidity causes electricity buildup on metals (doi: 10.1021/la102494k), de Galembeck y otros, en la revista Langmuir, en: pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/la102494k.

En tanto, Friction coefficient dependence on electrostatic tribocharging (doi: 10.1038/srep02384), también de Galembeck y otros, puede leerse en la revista Scientific Reports, en www.nature.com/srep/2013/130812/srep02384/full/srep02384.html.