Metal líquido embebido en polímero para recolección de energía

En las últimas décadas, el avance en la miniaturización y funcionalidad de la microelectrónica ha dado lugar a una amplia gama de dispositivos electrónicos inteligentes como los teléfonos móviles, relojes inteligentes y marcapasos, así como prótesis y exoesqueletos. Estos avances han tenido un gran impacto en nuestras vidas al cambiar la forma en que interactuamos y al mejorar nuestra capacidad para hacer frente a diversos problemas de nuestro día a día. Sin embargo, el aumento en el consumo de energía de estos dispositivos, con componentes cada vez más compactos y de mayor potencia, representa desafíos en cuanto al suministro de energía. A la fecha, las baterías han sido utilizadas como la fuente de alimentación ya que son una opción económica y fiable, con fácil disponibilidad y alta flexibilidad. Adicionalmente, las baterías suelen influenciar el tamaño de los dispositivos electrónicos y conllevan un coste adicional de recarga y/o sustitución durante la vida útil de los dispositivos, que puede ser de varios años. Aunado a este problema se tiene la disminución en la eficiencia de los dispositivos electrónicos, que implican un incremento en los requerimientos energéticos. Por razones como estas, los esfuerzos que se están haciendo para recolectar energía de nuestro entorno son cada vez más grandes.

Prácticamente cualquier fuente de energía que se produzca de manera natural en el medio ambiente tiene el potencial de ser convertida en energía eléctrica.  Actualmente, el desarrollo de dispositivos blandos ha acelerado la demanda de fuentes de energía deformables, por lo que la búsqueda e implementación de materiales y dispositivos que conviertan la energía mecánica en energía eléctrica nos podría ofrecer la posibilidad de utilizar dispositivos autoalimentados e inalámbricos. Pero ¿existe un material tanto flexible como conductor eléctrico que supere estos retos? La respuesta es sí. Una alternativa prometedora para la mejora de estos dispositivos son los metales líquidos embebidos en medios deformables. Los metales líquidos, como las aleaciones a base de galio, poseen propiedades notables que se originan en sus núcleos metálicos ricos en electrones y las interfaces entre estos y sus entornos circundantes. Algunas de las propiedades que los hacen excepcionales son su alta conductividad eléctrica y térmica, alta tensión superficial, bajo punto de fusión, baja presión de vapor, y baja viscosidad. Estas propiedades los convierten en candidatos ideales para diversas aplicaciones en donde los materiales rígidos convencionales (como el cobre) no son adecuados. Sin embargo, el desafío radica en aprovechar eficazmente estas propiedades. Aquí es donde entran en juego los polímeros, con su flexibilidad y elasticidad inherentes.  Esta característica les permite soportar el metal líquido, obteniendo un material con baja rigidez, alto límite de deformación y conductividad térmica similar a la del metal.

Actualmente, mi trabajo de maestría dirigido por el Dr. Michel Rivero se enfoca en sintetizar y evaluar materiales avanzados de metal líquido embebido en polímeros. El metal líquido se encapsula dentro de la matriz de polímero mediante un proceso cuidadosamente controlado. Esto se puede lograr utilizando técnicas como la microfluídica, en las que el metal líquido se inyecta en estructuras de hidrogel polimérico preformadas. Sin embargo, también se ha reportado la mezcla del metal líquido con elastómero sin curar seguido de curado para formar un compuesto homogéneo, como el mostrado en figura. La importancia de incorporar metal líquido en polímeros para la recolección de energía radica en su potencial para revolucionar el campo de la generación de energía renovable. Una de las principales ventajas de estos materiales es su capacidad para sufrir deformaciones (~600%) sin comprometer su funcionalidad. La matriz polimérica proporciona soporte mecánico y estabilidad al tiempo que permite que el metal líquido incrustado fluya y se redistribuya, observando cambios reversibles y un comportamiento adaptativo. Como metal líquido utilizamos galio o sus aleaciones que tiene propiedades únicas entre las que se encuentra su muy baja toxicidad. De esta manera se obtiene un dispositivo que funciona mediante el principio triboeléctrico, haciéndolo capaz de recolectar señales eléctricas a medida que éste se deforma.

Además de sus propiedades mecánicas y eléctricas, los compuestos de metal líquido y polímero también exhiben una excelente biocompatibilidad, lo que los hace adecuados para aplicaciones biomédicas como dispositivos implantables, monitores de salud portátiles, o dispositivos para rehabilitación. La naturaleza suave y adaptable de estos materiales reduce el riesgo de daño e incomodidad a los tejidos, facilitando el desarrollo de tecnologías médicas de próxima generación que estamos investigando en el IIM Unidad Morelia.