Un estudio descubre que el agua puede convertirse en un superconductor y un superalmacén de energía

Un estudio en el que participa la Universidad de Granada (UGR) ha permitido descubrir que el agua puede convertirse en un superconductor y un superalmacén de energía tras unos trabajos en que se ha operado con este elemento confinado a escala nanométrica para mostrar que en estas condiciones «desafía las leyes de la física y desarrolla propiedades eléctricas extraordinarias y contradictorias».

El agua, cuando es confinada en espacios de apenas uno o dos nanómetros (un millón de veces más pequeño que un milímetro), adquiere simultáneamente dos propiedades «extraordinarias y aparentemente contradictorias», según ha detallado este miércoles la UGR en una nota de prensa sobre este estudio.

Así, se vuelve extremadamente conductora de la electricidad, a niveles de líquidos «superiónicos» y, al mismo tiempo, desarrolla una capacidad gigantesca para almacenar energía eléctrica, comparable a la de los materiales «ferroeléctricos».

Este hallazgo, que desafía los principios de la física y la química conocidos hasta ahora y que abre la puerta a nuevas aplicaciones tecnológicas, es el resultado de una investigación internacional publicada en la revista científica Nature en la que participa, con un papel determinante, la UGR.

Este descubrimiento supone un giro respecto a una investigación previa del mismo equipo publicada en 2018 por la revista científica Science. En aquel entonces, los investigadores observaron que el agua confinada se volvía «eléctricamente muerta».

La clave para conectar estos hallazgos opuestos reside en la «anisotropía»: las propiedades del agua confinada son radicalmente distintas según la dirección en la que se midan. El estudio de 2018 midió las propiedades en perpendicular a las capas que la confinaban (donde el agua parecía inerte), mientras que el nuevo trabajo las ha medido en paralelo, revelando así su verdadero potencial.

La combinación en un mismo material –el agua– de una conductividad iónica extraordinariamente alta y una capacidad de almacenamiento de energía sin precedentes abre un horizonte de aplicaciones con un enorme potencial de impacto en múltiples campos. Este comportamiento dual reúne las condiciones perfectas para una nueva generación de tecnologías.

Las posibles aplicaciones se articulan en tres grandes áreas: el desarrollo de baterías y supercondensadores más pequeños, eficientes y de carga ultrarrápida; la creación de membranas para la desalinización y purificación del agua con un consumo energético drásticamente reducido; y el avance en biomedicina, tanto para la comprensión de procesos celulares como para el diseño de biosensores ultrasensibles y nuevas estrategias terapéuticas.

Conseguir medir estas propiedades a una escala tan diminuta ha sido una proeza técnica por parte del equipo internacional responsable del estudio. Sin embargo, los datos experimentales obtenidos inicialmente por los investigadores no eran más que un conjunto de señales complejas e aparentemente ininteligibles.

La contribución de la UGR, a través del investigador del Departamento de Matemática Aplicada y miembro del grupo de investigación Ecuaciones de Evolución en Derivadas Parciales y de la Unidad de Investigación ‘Modeling Nature’ (MNat) René Fábregas, ha consistido en el desarrollo de un modelo matemático que ha actuado como la partitura capaz de «dar coherencia y sentido a esa enorme cantidad de datos experimentales, permitiendo que las propiedades físicas del sistema emergieran de forma clara y visible».

Sin este modelo, el descubrimiento no habría sido posible, lo que pone de relieve el papel que desempeña la modelización matemática avanzada en la ciencia moderna. La magnitud de esta investigación queda avalada por el prestigio de sus participantes.

El equipo internacional está encabezado por la Universidad de Mánchester (Reino Unido), que lidera el proyecto bajo la dirección de la profesora Laura Fumagalli y cuenta además con la participación del profesor Andre Geim, galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento del grafeno.

La continuidad de esta línea de trabajo –que en el estudio de 2018 contó también con la colaboración del profesor Konstantin Novoselov, que compartió el Nobel con Geim–, pone de relieve la importancia de una investigación que está transformando las reglas de la ciencia de materiales, demostrando que, a menudo, las soluciones a los mayores desafíos se encuentran en las escalas más pequeñas, han explicado desde la UGR.

La contribución de Fábregas a esta investigación ha sido posible gracias al apoyo de un conjunto de programas de financiación que incluyen una beca Marie Sklodowska-Curie de la Comisión Europea, un contrato María Zambrano Senior (Ministerio de Universidades/NextGenerationEU), así como proyectos de la Agencia Estatal de Investigación y de la Junta de Andalucía. Este trabajo se enmarca además en un proyecto global que ha recibido también financiación del European Research Council, el Graphene Flagship y la Royal Society, entre otras instituciones.