Científicos del DIQBM en Nature: química superficial explica la transferencia de carga entre partículas

Cuando un volcán entra en erupción, las cenizas chocan entre sí en la atmósfera y generan espectaculares tormentas eléctricas. En la industria, el movimiento de polvo puede provocar aglomeraciones, fallas de eficiencia e incluso explosiones. Y en la vida cotidiana, algo tan familiar como el café molido puede perder calidad porque las partículas se pegan entre sí antes de entrar en contacto con el agua.

En todos estos casos ocurre un mismo fenómeno: la transferencia de carga eléctrica entre materiales granulares, los más abundantes después del agua. Así lo demuestra el estudio publicado en Nature, una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo, titulado “Adventitious carbon breaks symmetry in oxide contact electrification”, en el que participó el profesor del Departamento de Física, Dr. Nicolás Mujica, junto al académico Francisco Gracia y la Dra. Adriana Blanco, ambos del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, todos pertenecientes a la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile.

Aunque los granos que componen la arena, cenizas volcánicas o los polvos industriales, y hasta los materiales que dan origen a los planetas, están hechos de materiales eléctricamente aislantes, cuando se tocan, se rozan o se separan, intercambian carga. Este fenómeno es conocido hace siglos, pero encierra una paradoja fundamental: por qué dos granos idénticos, del mismo material y tamaño, pueden cargarse de manera distinta, incluso con signos opuestos.

Un nuevo estudio internacional publicado en Nature entrega una respuesta a esta interrogante. La clave no está en el volumen del material, sino en su superficie, específicamente en la presencia de moléculas que se adhieren a ella y que afectan cómo se transfiere la carga eléctrica entre las partículas. “Durante mucho tiempo se pensó que la transferencia de carga entre granos idénticos era un proceso esencialmente aleatorio”, explica el Prof. Mujica. “Lo que mostramos es que existe un parámetro muy concreto que rompe esa simetría, y ese parámetro es el estado químico de la superficie”, agrega.

En experimentos controlados con partículas de dióxido de silicio, el principal componente de la arena, los investigadores observaron que, aun siendo todas iguales, algunas partículas se cargaban positivamente, otras negativamente y otras casi no adquirían carga. Esta variabilidad se explica por las diferencias en la superficie de cada partícula, en un proceso fuera de equilibrio.

Para estudiar este fenómeno en detalle, el equipo desarrolló experimentos bajo radiación IR que permitieron observar directamente lo que ocurre en la superficie de los materiales bajo condiciones controladas. “Las moléculas que están en la superficie absorben esa energía vibrando de manera muy característica, lo que nos permite identificar su presencia y su cantidad”, explica el profesor Francisco Gracia. “Esto nos permite no solo identificar la presencia de estas moléculas en la superficie, sino también estimar su concentración y monitorear cómo evoluciona el sistema en el tiempo”, añade.

El trabajo experimental fue clave para seguir este proceso y entender cómo estas moléculas influyen en el comportamiento eléctrico de las partículas. “En esta investigación nos enfocamos en la identificación y seguimiento de especies adsorbidas en la superficie de óxidos. Utilizamos espectroscopía infrarroja con reflectancia difusa para analizar moléculas provenientes del ambiente, principalmente carbono adventicio, adsorbidas en la superficie de estos materiales. Este análisis se realizó antes, durante y después de tratamientos térmicos in situ, lo que nos permitió observar su evolución bajo condiciones controladas y su re-adsorción en el tiempo al exponer nuevamente los sólidos al ambiente”, explica la Dra. Adriana Blanco.

“El estudio de la adsorción y la identificación de moléculas en superficies, especialmente en condiciones controladas, es clave para comprender los mecanismos que ocurren en distintos sistemas relevantes para la ingeniería química y la ciencia de materiales”, añade Blanco.

Las implicancias del hallazgo son amplias. En la naturaleza, permite comprender fenómenos como la formación de campos eléctricos en erupciones volcánicas, la formación de planetas, la dispersión de microorganismos en la atmósfera y el rol de las cargas en la polinización. En la industria, ofrece claves para reducir riesgos asociados a descargas eléctricas y mejorar la eficiencia de procesos que involucran materiales particulados. También en la vida cotidiana ayuda a explicar por qué variables como la humedad y la carga eléctrica influyen en la calidad del café molido.

Este avance permite dar sentido a un fenómeno que durante décadas se consideró impredecible. “Lo notable es que un fenómeno que parecía aleatorio, está gobernado por procesos bien definidos a nivel molecular”, concluye Mujica.