Sabemos que la energía es uno de los principales pilares de nuestra sociedad, y nuestro actual progreso demanda el desarrollo de tecnologías eléctricas de alto consumo que permitan la electrificación de los medios de transporte a gran escala, incluidos vehículos de transporte y carga, además de los sistemas de almacenamiento para las energías renovables; todas estas aplicaciones exigen una nueva generación de condensadores que almacenen y entreguen energía en las cantidades requeridas bajo exigentes condiciones de operación. Y un nuevo dispositivo basado en polímeros sintetizados con la nueva generación de reacciones derivadas de la química del clic gestiona eficientemente grandes cantidades de energía y al mismo tiempo resiste temperaturas y campos eléctricos intensos.
Polímeros sintetizados con la química de clic permiten crear dispositivos que soportan campos eléctricos intensos. Fuente: 
En electricidad, un condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica en forma de diferencia de potencial para liberarla luego. Para almacenar la carga eléctrica utiliza dos placas conductoras en forma de láminas separadas por un material aislante (dieléctrico), estas placas se cargan eléctricamente al ser conectadas a una diferencia de potencial, una de ellas se llena de electrones (adquiriendo carga negativa) mientras que la otra libera electrones (quedando con carga positiva).
Esquema de un condensador. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Ahora bien, el mercado mundial de condensadores esta tomado por los condensadores de película polimétrica por su ligereza, flexibilidad y bajo costo; este es un tipo de condensador que utiliza una película de plástico aislante como dieléctrico, que dependiendo de la rigidez eléctrica deseada, se estiran hasta obtener un espesor extremadamente delgado, y luego se le proporcionan los electrodos, los cuales pueden ser de ser de aluminio o zinc metalizados.
Sección transversal de un condensador de película plástica. Fuente: imagen tomada de Wikipedia.org.
Pero el problema con este tipo de condensador tan utilizado en la actualidad, es que su rendimiento se ve seriamente afectado por el aumento de la temperatura y el voltaje, por lo que se requieren de materiales más tolerables a estas condiciones para su uso en aplicaciones sometidas temperaturas y voltajes severos.
Para superar estas limitaciones, y fabricar materiales dieléctricos poliméricos robustos de alto rendimiento, químicos del Laboratorio Berkeley sintetizaron largas cadenas de polisulfatos mediante una reacción química en la que se intercambian átomos de fluor en compuestos de azufre-fluor. Esta reacción de intercambio azufre-fluor que denominaron SuFEx, forma parte de una nueva generación de reacciones químicas derivadas de la química de clic, desarrollada por K. Barry Sharpless, concepto que les valió a los científicos para ganar el Premio Nobel de Química de 2022.
La química de clic es una filosofía química relativamente reciente que consiste en la unión de unidades moleculares de un tamaño específico para formar estructuras más complejas mediante un conjunto de reacciones rápidas. El término “química clic” fue acuñado por Sharpless quién estudió estas reacciones altamente selectivas y fiables mediante la formación de inhibidores de enzimas mediante el acoplamiento de moléculas en el sitio activo de una enzima, usó la palabra "clic" haciendo referencia a la fácil unión de unidades de construcción moleculares como si se tratase de la unión de las piezas de la hebilla del cinturón de seguridad.
La química de clic se basa en el acoplamiento rápido de moléculas. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Por otro lado, las reacciones de intercambio de fluoruro de azufre (SuFEx) constituyen una familia modular de reacciones de clic, orientada hacia el ensamblaje rápido y confiable de moléculas funcionales aprovechando la reactividad extraordinariamente elevada de los fluoruros de sulfonilo y los fluorosulfatos con los nucleófilos apropiados deseados. La reacción no es nueva como tal, pero ha sido mejorada mediante el concepto de la química de clic para permitir que la conexión de sulfato, antes poco apreciada, sea utilizada ahora para una variedad de propósitos; por lo que se ha considerado ahora en diferentes áreas de la química moderna, desde la elaboración de fármacos hasta polímeros.
El grupo de investigadores del Laboratorio Berkeley se inspiraron en las propiedades dielectricas de los polisulfatos para sintetizar nuevos materiales útiles para el almacenamiento de energía que soporten elevadas temperaturas y voltajes, a pesar de que no se habían considerado antes para este fin. Para diseñar dispositivos condensadores, los investigadores sintetizaron películas delgadas de polisulfatos por catálisis de intercambio de fluoruro de azufre (VI) (SuFEx) y para mejorar sus propiedades aislantes se recubrieron con capas muy finas (∼5 nm) de óxido de aluminio Al2O3 por deposición de capa atómica.
El intercambio azufre-fluoruro (SuFEx) se ha propuesto como una nueva reacción para la química clic. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Según reportan los investigadores, los materiales obtenidos demostraron soportar campos eléctricos superiores a 750 millones de voltios por metro y una densidad de energía descargada de 8,64 J cm−3, trabajando eficazmente a temperaturas de hasta 150 °C, probando un excelente rendimiento en comparación con los condensadores de película polimérica convencionales, sintéticos y de nanocompuestos, los cuales no soportan más de 120 °C y por encima de los 500 millones de voltios su eficiencia decae a más de la mitad.
Gracias las propiedades de enlace logradas mediante la filosofía de la química de clic, estos polímeros presentaron excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, lo que convierte a los polisulfatos obtenidos por esta vía de síntesis en buenos candidatos para la fabricación de condensadores de película polimérica, y proporcionar mejoras considerables en los dispositivos de almacenamiento de energía que satisfagan el rendimiento requerido para distintas aplicaciones sometidas a condiciones operativas exigentes.
Bueno amigos, gracias a esta investigación observamos aplicaciones prácticas para los polímeros desarrollados mediante el concepto de la química de clic, una filosofía de síntesis que va ampliando su campo de aplicación, más allá de la síntesis orgánica y el descubrimiento de fármacos.
Espero les haya gustado la información sobre las propiedades mejoradas de los condensadores de película polimérica gracias a la nueva generación de reacciones SuFEx. Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.org. Film capacitor
Tanzeela Abdul Fattah, Aamer Saeed, Fernando Albericio (2018). Recent advances towards sulfur (VI) fluoride exchange (SuFEx) click chemistry. Journal of Fluorine Chemistry, Volume 213, Pages 87-12
He Li, Boyce S. Chang, Hyunseok Kim, K. Barry Sharpless, Peng Wu, Yi Liu (2023). High-performing polysulfate dielectrics for electrostatic energy storage under harsh conditions. Joule, Volume 7, ISSUE 1, P95-111