La humedad revela el poder oculto de los iones en la electricidad estática

Un equipo de investigadores liderado por el Profesor Dong-Myeong Shin del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hong Kong (HKU) realizó un hallazgo significativo sobre la contribución de los iones en la transferencia de carga eléctrica. Este descubrimiento, publicado en la revista Advanced Functional Materials, reveló que la humedad ambiental juega un papel crucial en la generación de electricidad estática.

El estudio, titulado "Quantifying Electron and Ion Transfers in Contact Electrification with Ionomers", desafió la creencia de que solo los electrones son responsables de la electricidad estática. Los investigadores demostraron que tanto electrones como iones se transfieren simultáneamente cuando dos superficies sólidas entran en contacto. Para ello, probaron tres tipos de películas: un ionómero aniónico llamado Nafion 211, un ionómero catiónico denominado FAA-3 y un polímero no iónico llamado Nylon, frotándolos contra una película de fluoruro de etileno propileno (FEP).

Los científicos analizaron cómo las cargas decaían bajo calor y utilizaron técnicas avanzadas para detectar iones en la superficie, lo que les permitió medir la contribución de electrones y iones en la transferencia de carga.

Un hallazgo clave fue que diferentes materiales ionómeros mostraron comportamientos distintos en la transferencia de carga, con la humedad amplificando significativamente el papel de los iones. A niveles de humedad relativa superiores al 50%, la transferencia de iones no solo aumentó la densidad de carga en la superficie, sino que también compensó la depleción que normalmente causa la humedad.

Curiosamente, aunque menos del 2% de los iones se movieron a través de la interfaz, su impacto fue notable, ya que jugaron un papel clave en la estabilización y fortalecimiento de las cargas estáticas. Para comprender este fenómeno, el equipo utilizó simulaciones por computadora, que revelaron que las moléculas de agua absorbidas en el ionómero formaron pequeños canales dentro del material, permitiendo que los iones se movieran más libremente hacia la superficie, especialmente en condiciones húmedas.

Implicaciones para la tecnología y los materiales

El Dr. Xiaoting Ma, coautor del estudio, destacó: "Esta es la primera vez que podemos separar y medir de manera inequívoca las contribuciones de electrones y iones en la electrificación por contacto sólido". Además, el Profesor Shin subrayó el impacto más amplio de este descubrimiento: "Al cuantificar cuánto se transfieren electrones y iones durante el contacto, podemos desarrollar nuevas estrategias para crear materiales que funcionen de manera confiable incluso en ambientes húmedos. Esto no solo avanza la comprensión científica fundamental, sino que también abre nuevas posibilidades para tecnologías ecológicas como la impresión, el recubrimiento, la monitorización ambiental y la recolección de energía".

El equipo también encontró que la introducción de iones en la superficie de un polímero no iónico mejoró significativamente su resistencia a la humedad, ofreciendo una estrategia práctica para la ingeniería de materiales triboeléctricos robustos. Tras integrar las películas de Nafion y FAA en generadores nanotriboeléctricos (TENGs), los dispositivos mostraron una salida estable incluso en ambientes húmedos, logrando alimentar un conjunto de 78 LEDs y mantener su rendimiento durante miles de ciclos.