¿Cómo se crean los rayos de las tormentas? Un científico catalán está a punto de averiguarlo

BarcelonaHay quien apunta a que gracias a los pequeños incendios provocados por los rayos los humanos pudieron empezar a utilizar y dominar el fuego, que fue crucial para que la especie tuviera tasas de supervivencia más elevadas, indujera a un cambio en la dieta y favoreciera un desarrollo técnico de la especie. Sin embargo, a pesar de la importancia de este fenómeno y el millón de años de progreso humano, los científicos aún no han acabado de aclarar qué provoca que caigan del cielo descargas eléctricas de gran intensidad.

Ahora todo hace pensar que ese misterio podría estar en camino de resolverse. Hace cinco años, el profesor de Icrea y líder del Grupo de Nanofísica de Óxidos del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) Gustau Catalán y quien entonces era alumno doctorando de la Universidad Xi'an Jiaotong (China) Xin Wen se propusieron demostrar que el hielo es un material flexoeléctrico; es decir, que es capaz de generar electricidad cuando su estructura se dobla de forma irregular. Para Catalán, demostrar esa propiedad del hielo fue "la parte más sencilla". Junto con Wen y la colaboración de la Universidad Stony Brook (Nueva York), consiguieron demostrarlo el primer año de la investigación, en 2021.

De la partícula de hielo al rayo

Pero lo complicado vino después. Que el hielo fuera un material flexoeléctrico abría un gran abanico de hipótesis que hacía que esta investigación fuera "verdaderamente emocionante", puesto que, más allá de los rayos, el hielo participa en muchos fenómenos de la naturaleza. "Formular una hipótesis como ésta es del todo inusual, hay que ser muy prudente a la hora de asegurar cosas. Cuando sacamos adelante esta búsqueda tan notoria me sentí un poco incómodo, ¡todavía es muy grande!", dice el líder del Grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2.

Hasta ahora se sabía que los rayos se generaban a partir de la colisión de partículas de hielo con las nubes, pero no se entendía cómo estos pedazos de hielo podían generar electricidad, ya que todas las investigaciones científicas hechas hasta ahora habían descartado que el hielo se pudiera descartar.

El trabajo de Catalán y Wen fue atreverse a demostrar que las partículas de hielo se cargan por deformación y no por compresión, como ya había sido descartado. "Al analizar la carga eléctrica que generaba una placa de hielo doblada y extrapolar esta carga a las deformaciones que se producen en colisiones entre partículas de hielo que chocan a gran velocidad dentro de las nubes, los resultados coincidieron con los valores observados en experimentos previos sobre las colisiones de partículas de hielo", explica el profesor.

Lo que les llevó más tiempo fue la verificación y justificación de los resultados, así como convencer a las revistas de que la interpretación del origen de los rayos era plausible. "Es normal, querían comprobar que no dijéramos ningún disparate", recalca con ironía Catalán. Por último, la investigación y la defensa de los años de trabajo les ha valido la publicación del artículo académico en la revista Nature Physics.

Las implicaciones tecnológicas derivadas

Tener la capacidad de poder cargar eléctricamente un material tan común como el hielo deja la puerta abierta a una gran cantidad de avances tecnológicos y científicos hasta ahora inimaginables. "Siento que acabamos de rascar la superficie", dice el profesor. De hecho, lo asevera de forma casi literal, ya que Catalán ha recordado que la capa del agua en contacto con una superficie se comporta como un sólido, es decir, como hielo, lo que podría suponer que las propiedades de la flexoelectricidad también se pudieran aplicar de forma similar al agua que recubre superficies. "Esta propiedad puede tener un impacto en diferentes ámbitos, incluyendo a las personas, ya que estamos compuestos de un 60% de agua", añade.

Con la previsión de haber iniciado un gran descubrimiento, el equipo ya ha registrado una patente: el uso de la flexoelectricidad como fuente de energía o como sensor de movimientos sísmicos. "Por ahora, no prevemos que la carga eléctrica del hielo por deformación pueda sustituir fuentes de energía renovables, porque el esfuerzo de doblar el hielo es mayor que la carga eléctrica que se obtiene, pero sí es cierto que hemos visto en una búsqueda paralela que la flexoelectricidad puede ayudar a aumentar la eficiencia de las placas fotovolta".

El autor del estudio también ha destacado que este descubrimiento no habría sido posible sin la cooperación internacional, "precisamente entre la Unión Europea, Estados Unidos y China", y lamenta las consecuencias que tienen las políticas proteccionistas del presidente estadounidense, Donald Trump, en la comunidad científica.