Una cooperación Brasil-Alemania para estudiar a fondo las reacciones electroquímicas

Una investigación teórica encabezada por la joven científica brasileña Luana Sucupira Pedroza tiene entre sus posibles aplicaciones tecnológicas la mejora de las células de combustible

Por José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – La necesidad de producir energía más limpia en el contexto de la crisis climática global constituye la motivación de una investigación innovadora que se dio a conocer en el evento intitulado Frontiers of Science Symposium, organizado por la FAPESP y el Instituto Max Planck.

Este estudio, llevado adelante por Luana Sucupira Pedroza, docente de la Universidad Federal del ABC (UFABC), en Brasil, apunta a optimizar las reacciones electroquímicas en las células de combustible y en otros dispositivos. Estas reacciones, cuyo producto principal de interés es el hidrógeno, comprenden las interaciones entre sólidos y líquidos. Y la investigación apunta precisamente a entender, mediante la simulación computacional, qué sucede en la interfaz de ambos sistemas.

El estudio cuenta con el patrocinio de la FAPESP en el marco del Programa de Apoyo a Jóvenes Investigadores y de un convenio con la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, de Alemania.

“Si bien la electroquímica es conocida hace mucho tiempo, aún no entendemos completamente de qué manera se comporta la interfaz sólido-líquido a escala microscópica y  qué podemos hacer a ese nivel para mejorar la eficiencia de la reacción. El objetivo de nuestra investigación consiste básicamente en entender qué ocurre en la interfaz entre un sólido y un líquido, el agua en particular”, declaró Sucupira Pedroza a Agência FAPESP.

Aparte de contribuir al desarrollo de la ciencia básica, al explicar qué sucede en el plano experimental, este estudio posee un evidente horizonte de aplicación tecnológica, pues permite seleccionar los mejores materiales sólidos o proyectar nuevas configuraciones de interfaz.

“Trabajamos en el ámbito teórico con simulaciones computacionales, pero estamos muy conectados con la investigación experimental. Mantenemos una colaboración con físicos experimentales de Alemania y nuestras simulaciones entre otras cosas apuntan a explicar los resultados a los que ellos arriban, pero que no siempre logran comprender. Las simulaciones atomísticas son indispensables para arribar a este tipo de explicación”, afirmó la investigadora.

“Nuestro estudio abarca las llamadas simulaciones ab initio, es decir, de los primeros principios. Esto significa que no utilizamos los datos experimentales para montar nuestros modelos. Empleamos el conocimiento de los procesos físicos fundamentales y los recursos de cálculo. Por supuesto que siempre se hace necesario establecer aproximaciones, pero el objetivo es describir los fenómenos reales con un mínimo de supuestos, de manera tal de no confinar la interpretación al repertorio empírico ya establecido. Pretendemos ser capaces de prever nuevas posibilidades”, añadió.

Lógicamente, esto depende del material sólido utilizado. La investigadora ha venido estudiando principalmente el paladio, el platino y el oro, metales de interés tanto como electrodos como en su carácter de catalizadores. Pero además del tipo de material, el comportamiento de la interfaz también depende de la geometría. “La interacción con el agua cambia de acuerdo con la forma de cortar el material, esto es, de acuerdo con los planos de escisión o clivaje. El comportamiento del agua no depende únicamente del metal. Depende también de la geometría de la superficie metálica. Esto es algo sumamente importante, que las simulaciones permiten explicar. La configuración de las moléculas de agua en la interfaz está condicionada por la geometría de la superficie”, dijo Sucupira Pedroza.

La molécula de agua (H₂O) es coplanar, pues los centros del átomo de oxígeno y de los dos átomos de hidrógeno se ubican en el mismo plano. Y en ese plano, los centros posicionan en forma de V, con el oxígeno en el vértice y los hidrógenos en ambas puntas formando un ángulo de aproximadamente 104,5 grados entre sí. Dependiendo del metal y de la geometría de la superficie metálica, es decir, de las coordenadas del plano de escisión, las moléculas de la primera capa de agua pueden quedar paralelas a la superficie o girar, de manera tal que los hidrógenos se acerquen o se alejen de la superficie. Estas diferentes configuraciones influyen fuertemente sobre la reacción.

El hecho de que los átomos de la molécula de agua formen una V hace que la molécula de agua constituya un dipolo eléctrico. Varias propiedades del agua –incluso el hecho de ser un excelente solvente– derivan de esa constitución como dipolo. No es esto lo que sucede con la molécula de dióxido de carbono (CO₂), por ejemplo. En este caso, los tres átomos se alinean, con el carbono del medio y un oxígeno en cada punta, lo cual impide la polarización.

“Las propiedades del agua dependen también del ordenamiento local del líquido. En otras palabras, dependen de cómo se relaciona cada molécula con las moléculas vecinas. Este comportamiento depende de las relaciones carga-carga, lo que constituye un componente clásico, puramente electrostático, por un lado. Con todo, depende también, por otro lado, de las relaciones entre los orbitales electrónicos de los átomos, lo que determina un componente cuántico. En las simulaciones ab initio, los núcleos atómicos son tratados como corpúsculos clásicos y los orbitales electrónicos como sistemas cuánticos. Éste es el procedimiento estándar adoptado desde finales de la década de 1980. Pero como el hidrógeno es un átomo muy liviano, dicho procedimiento no siempre constituye una buena aproximación al fenómeno real. Es entonces cuando entra en juego una novedad de nuestro estudio, que consiste en incluir los efectos cuánticos también para los núcleos. Éste es el principal aspecto de nuestra colaboración con Alemania. Nuestra socia alemana es experta en eso”, afirmó Sucupira Pedroza.

Que todo se vuelva cuántico en un modelo constituido por algunas centenas de moléculas, en el cual coexisten y compiten interacciones metal-agua y agua-agua, implica utilizar las llamadas “integrales de camino de Feynman”, una técnica que requiere de procesamiento computacional pesado, con mucho tiempo de uso de máquinas. En el marco del Programa de Apoyo a Jóvenes Investigadores, la FAPESP le suministró a Sucupira Pedroza los recursos necesarios a tal fin. Además de los clústeres de computadoras de la Universidad Federal del ABC (UFABC) y del Laboratorio Nacional de Computación Científica (LNCC), con sede en la localidad de Petrópolis (en el estado de Río de Janeiro), que ella ya utiliza en regímenes de hora-máquina, con límites de tiempo, la investigadora está abocada al proceso de compra de un clúster destinado a atender prioritariamente las necesidades de su proyecto de investigación. Este nuevo clúster estará alojado en la UFABC.

Además de efectos cuánticos para los electrones y para los núcleos, este modelo incluirá también efectos de temperatura y efectos de tensión eléctrica externa aplicada al metal. Esto requiere de la realización de simulaciones realmente complejas, que pondrán a disposición de la comunidad científica descripciones bastante realistas de los procesos electroquímicos. “La unión de todas estas variables es algo que aún no se ha hecho. Esperamos lograrlo por primera vez”, comentó Sucupira Pedroza.