Recientemente se ha logrado un adelanto significativo en el campo de la ciencia de materiales y la electrónica con la demostración de que es posible guiar electricidad mediante sonido: este hallazgo se basa en la manipulación de ondas acústicas que actúan a modo de cables eléctricos invisibles y su interacción con electrones dentro de los materiales.
Forman el equipo internacional que ha hecho posible este logro Josu Irisarri Erviti, Íñigo Ezcurdia Aguirre, Naroa Iriarte y Asier Marzo Pérez, de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) en España; Marika Sirkka, Joni Mäkinen, Dimitry Nikolaev, Denys Iablonskyi y Ari Salmi, de la Universidad de Helsinki en Finlandia; y Alexander Martínez-Marchese, de la Universidad de Waterloo en Canadá.
Guiar electricidad
El concepto de guiar electricidad mediante sonido se refiere al uso de ondas acústicas para controlar el flujo de electrones en un material conductor, de manera similar a como se utiliza un cable eléctrico para guiar electrones a través de un circuito.
Sin embargo, en lugar de utilizar una corriente eléctrica convencional, que involucra la movilidad de partículas cargadas, en este caso se manipulan ondas de sonido, o más precisamente ondas acústicas, para generar y controlar el movimiento de electrones.
Para entender este fenómeno es necesario comprender algunas propiedades físicas fundamentales. La electricidad y el sonido son dos formas de energía muy diferentes, pero ambas están relacionadas con el movimiento de partículas. La electricidad se basa en el movimiento de electrones, mientras que el sonido es una onda que se propaga a través de un medio como el aire o un material sólido mediante la vibración de moléculas.
Sin embargo, a pesar de su utilidad, este tipo de electricidad es difícil de controlar en espacios abiertos, puesto que se dividen en ramas caóticas que tienden a dirigirse hacia los objetos metálicos más cercanos.
Procedimiento
El logro del equipo ha sido, precisamente, encontrar un modo de guiar la electricidad a través del aire, en este caso mediante ondas ultrasónicas, es decir, mediante sonidos más agudos de lo que puede percibir el oído humano.
El nivel de control de las descargas eléctricas permite guiarlas alrededor de obstáculos o hacerlas impactar en puntos específicos, incluso en materiales no conductores, tal como detallan los investigadores. Se trata, en cierto modo, de tender un cable eléctrico invisible, por así decirlo.
“Observamos este fenómeno hace más de un año; luego nos llevó meses controlarlo e incluso más tiempo encontrar una explicación”, explica Asier Marzo, doctor en Informática por la Universidad Pública de Navarra.
Esta guía se produce porque las descargas eléctricas calientan el aire, que se expande y disminuye su densidad. Posteriormente, el aire caliente es guiado por ondas ultrasónicas hacia regiones donde la intensidad del sonido es mayor y las siguientes descargas siguen estas regiones de aire más ligero debido a su menor voltaje de ruptura.
Los investigadores explican que anteriormente las descargas eléctricas solo podían guiarse con descargas inducidas por láser, llamadas electroláseres, lo que requería el uso de láseres peligrosos para los ojos o para la piel, así como una sincronización precisa entre esta fuente de luz y la descarga eléctrica.
Ahora el método desarrollado por los investigadores al utilizar ultrasonidos es seguro para las personas. Además, el equipamiento ultrasónico es compacto, asequible y puede funcionar de forma continua.
Alcances tecnológicos
Este avance en la manipulación de la electricidad mediante sonido podría tener una serie de implicaciones importantes en diferentes campos de la ciencia y la tecnología.
Dispositivos electrónicos más eficientes Uno de los beneficios más inmediatos de este descubrimiento es la posibilidad de crear dispositivos electrónicos mucho más eficientes. Al utilizar sonido para controlar la electricidad, los investigadores esperan poder reducir las pérdidas de energía que ocurren en los sistemas electrónicos tradicionales.
Nanotecnología y computación cuántica Estos son dos campos en los que este avance podría tener un impacto profundo. Los circuitos a escalas nanométricas son extremadamente sensibles a las perturbaciones y las pérdidas de energía. La capacidad de usar ondas acústicas para guiar los electrones podría abrir nuevas vías para el diseño de dispositivos más pequeños y rápidos, con menor consumo energético. Además, en la computación cuántica, donde los qubits (sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente) se manejan con sumo cuidado, el control de las partículas a través de ondas acústicas podría permitir un nuevo tipo de manipulación de los estados cuánticos, potenciando el rendimiento de las computadoras cuánticas.
Sensores ultrasónicos avanzados Otro campo que podría beneficiarse de esta investigación es el de los sensores ultrasónicos. Los avances en la interacción de las ondas acústicas con la electricidad podrían llevar a sensores más precisos y sensibles, que puedan utilizarse en áreas como la medicina, la ingeniería de materiales y la detección remota. Estos sensores podrían ser capaces de detectar cambios en la corriente eléctrica que se producen cuando las ondas acústicas interactúan con el material, lo que permitiría la creación de dispositivos de medición más avanzados.
Dispositivos sin cables y tecnologías sin contacto La capacidad de guiar electricidad mediante sonido también abre la puerta a tecnologías sin contacto, donde la energía se podría transferir o guiar a través de ondas acústicas en lugar de cables metálicos. Esto podría dar lugar a nuevas formas de dispositivos electrónicos portátiles y wearables, donde la transmisión de energía se realiza de manera inalámbrica a través de sonido, eliminando la necesidad de conectores físicos y mejorando la comodidad y la funcionalidad de los dispositivos.
Desafíos de la energía eléctrica mediante el sonido
Aunque el descubrimiento es impresionante, aún hay desafíos técnicos y científicos por superar. Uno de los principales obstáculos es la eficiencia de la transmisión de energía. Actualmente, las ondas acústicas no son tan eficientes como los conductores tradicionales de electricidad, lo que significa que la cantidad de energía que se puede transferir a través de ondas acústicas es relativamente baja. Para que este avance sea aplicable en aplicaciones comerciales a gran escala, los investigadores tendrán que mejorar la eficiencia de la conversión de energía y el control de las ondas acústicas. Además, los materiales que se utilizan para guiar las ondas acústicas deben ser capaces de soportar condiciones extremas, como altas temperaturas y presiones, sin degradarse. Desarrollar materiales que puedan manejar estas condiciones de manera eficiente y económica es un desafío importante para su implementación práctica.
Fuente: UPNA