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U.S. Guest Lecture on Electrochemistry in Nanoscale

May 10th, 2010 ›

 

La Electroquimica en el Mundo Actual

Héctor Abruña, de la Universidad de Cornell en Ithaca, Estados Unidos, visitó la Facultad de Química Bioquímica y Farmacia de la UNSL para brindar una Conferencia sobre Electroquímica en la Nanoescala, invitado por el Instituto de Química San Luis (INQUISAL). El Dr. Héctor Daniel Abruña es catedrático del Departamento de Química y Química Biológica en la Universidad de Cornell en Ithaca, New York, Estados Unidos. Se dedica a la electroquímica desde hace más de treinta años. Es oriundo de Puerto Rico, donde culminó sus estudios de nivel medio, y cursó los estudios universitarios, doctorales y posdoctorales en Estados Unidos, donde vive desde entonces.

Su interés por el estudio de la electroquímica partió de su admiración por el profesor David Aikens, "una persona de muchísima capacidad" que le motivó a pensar que había algo especial en esta disciplina.

¿Qué es la Electroquímica?

"Fundamentalmente se refiere a la disciplina que investiga reacciones donde hay transferencia de carga entre dos interfaces, un electrodo y una disolución"; uno de los ejemplos más clásicos es "la batería de los coches, que tiene plomo y ácido sulfúrico". El Dr. Abruña explica que la electroquímica consiste en el cambio de cargas de una fase a otra. Básicamente se trata de procesos electrónicos y químicos a la vez. "Los electrones son portadores de carga, en eso se basa la electricidad, entonces, cuando un electrón cambia de un sólido a un líquido hay un brinco del electrón hacia la disolución, o de la disolución al electrodo, que es la 'reacción electroquímica'. Tiene como consecuencia, por ejemplo, el cargar o descargar una batería, otro ejemplo, si usted aplica un potencial entre dos electrodos y una batería a una disolución de agua, puede generar oxígeno o hidrógeno, es decir, la descomposición electródica de los componentes del agua". Todos son procesos electroquímicos.

Algunos campos de aplicación de la electroquímica son los automóviles y los biosensores. "Áreas en las que hay mucho énfasis, más que nada en cuestiones tecnológicas, tienen que ver con energía, en particular, el desarrollo de pilas de combustible y de baterías de alto rendimiento", materia en la que Héctor Abruña ha enfocado gran parte de su trabajo.

Una pila de combustible es un dispositivo que convierte energía química directamente en energía eléctrica, y tiene la ventaja de que -inherentemente- es mucho más eficiente que un dispositivo de combustión interna, como todos los motores de los coches. Si uno hace un análisis termodinámico, la eficiencia energética de un motor de combustión interna, teóricamente se aproxima al 45 o 50%, es decir que, ya de partida hemos perdido el 50% del contenido energético del combustible. En cambio, una pila de combustible, cuando convertimos el combustible a electricidad, puede tener una eficiencia de más del 90%, y por eso el énfasis, explica el Dr. Abruña. Por su parte, las baterías de alto rendimiento tienen mucho énfasis hoy en día para carros eléctricos y para todo tipo de dispositivos electrónicos o herramientas.

Riesgos de las pilas y baterías de uso actual

En cuanto al avance que ha habido en la generación de pilas y baterías se destaca, más recientemente, la utilización del litio. Las pilas primarias son las que uno utiliza una sola vez y las descarta, y las recargables (como la batería del celular) llámense secundarias, se basan en litio, que se utiliza porque es el metal más liviano que puede intercambiar un electrón reversiblemente a altos potenciales.

Esta más reciente incorporación del litio trae aparejado sus problemas y riesgos. Abruña explica que "una batería de litio, o casi todas ellas, tiene mayor densidad energética que un explosivo. En el proceso de uso ha habido accidentes donde la batería, por mal funcionamiento, se calienta descontroladamente y explota (thermal runaway).  La dicotomía de querer alta densidad energética pero que sea estable lleva un costo, tanto de diseño como de potencial de inestabilidad e inseguridad, entonces hay que balancear todo esto".

Los países más avanzados

Sobre los avances más notorios específicamente en investigación de baterías "los japoneses están adelante en todo el mundo y en pilas de combustible no creo que haya alguno liderando en este momento, hay algunos grupos en Europa que están muy bien, pero diría que Estados Unidos está al frente", comenta el Doctor.

China ha desarrollado un plan de investigación muy avanzado en electroquímica, tiene un grupo de excelencia al cual le están dando mucho apoyo financiero. Japón también tiene este aspecto, en que las empresas han destinado fondos significativos. Esto es muy distinto que en Estados Unidos, "la gente cree que las empresas dan dinero pero dan muy poco para la investigación, casi todo viene del gobierno", asegura Abruña.

La electroquímica en la nanoescala

Un nanómetro es la distancia que ocuparían tres o cuatro átomos en fila. El comportamiento de la materia tiende a ser muy distinto en escala nanométrica (nanoescala) que en grueso. "Lo que la nanociencia plantea es que la reactividad de diferentes materiales se afecta por la dimensionalidad que tiene. El trasfondo teórico todavía no va a la par con las observaciones experimentales, por eso persiste el interés por tratar de entender, desde un punto de vista fundamental, porqué ciertas cosas se comportan de determinada manera cuando se disminuye la escala," explica el Doctor.

"Aquí en San Luis hay gente que está trabajando en nanociencia, también en la Universidad de Buenos Aires, en el Centro de Bariloche, donde -en particular- son muy buenos a nivel de conocimientos teóricos", reconocidos a nivel mundial.

La conferencia que brindó en la Universidad Nacional de San Luis el pasado lunes 10 de mayo trató justamente de la electroquímica en la nanoescala. Al respecto, Abruña comentó que partió de la idea de "hacer contacto eléctrico a una molécula y medir las propiedades de ese sistema, es decir, cómo se transportan electrones a través de una sola molécula. Diseñamos moléculas, experimentos y vimos cómo poder entenderlo desde un contexto conceptual del comportamiento". Se mostró muy satisfecho con los resultados de la actividad y la respuesta del grupo humano que lo acompañó, integrado -en su mayoría- por investigadores de la UNSL.
Dr. Abruña junto a organizadores y participantes de la Conferencia

En su visita a la Argentina, Héctor Abruña, tras su viaje a San Luis, brindó una charla en la Universidad de Buenos Aires y luego partió a Bariloche, donde además de dar una charla participará de una mesa redonda. Este fin de semana culminará su estadía en el país.

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