La primera simulación de la conductividad del aluminio abre la puerta a experimentos que, si se realizan por completo, podrían conducir a una alternativa de aluminio ultraconductor al cobre que sería útil en mercados más allá de las líneas de transmisión, revolucionando los vehículos, la electrónica y la red eléctrica, según los autores.

«¿Qué pasaría si pudieras hacer que el aluminio sea más conductivo, incluso un 80 % o un 90 % tan conductivo como el cobre? Podrías reemplazar el cobre y eso marcaría una gran diferencia porque el aluminio más conductivo es más liviano, más barato y más abundante», dijo en un comunicado Keerti Kappagantula, científico de materiales del PNNL y coautor de la investigación. «Ese es el problema general que estamos tratando de resolver».

La demanda de cobre está superando rápidamente su disponibilidad actual, lo que eleva su costo. El cobre es un excelente conductor eléctrico, se usa en todo, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta cables de transmisión submarinos que alimentan Internet, pero no se puede escapar del hecho de que el cobre es cada vez menos disponible y más caro. Se espera que estos desafíos empeoren con el creciente número de vehículos eléctricos, que necesitan el doble de cobre que los vehículos tradicionales. Además, el cobre es pesado, lo que reduce la eficiencia de los vehículos eléctricos.

El aluminio tiene solo un tercio del precio y el peso del cobre, pero solo tiene un 60% de conductividad. La conductividad relativamente baja del aluminio puede ser una limitación en algunas aplicaciones del mundo real.

«La conductividad es clave porque un cable más liviano con una conducción equivalente se puede usar para diseñar motores más livianos y otros componentes eléctricos, por lo que su vehículo puede recorrer distancias más largas», dijo Kappagantula. «Todo, desde los componentes electrónicos de un automóvil hasta la generación de energía y la transmisión de esa energía a su hogar a través de la red para cargar la batería de su automóvil, cualquier cosa que funcione con electricidad, todo puede volverse más eficiente».

Aumentar la conductividad del aluminio cambiaría las reglas del juego. «Durante años, pensamos que los metales no podían hacerse más conductores. Pero ese no es el caso», explicó Kappagantula. «Si alteras la estructura del metal e introduces los aditivos correctos, de hecho puedes influir en sus propiedades».

Para comenzar a determinar cuánto se podría aumentar la conductividad del aluminio, Kappangantula y la becaria postdoctoral del PNNL Aditya Nittala se asociaron con el profesor David Drabold y el estudiante de posgrado Kashi Subedi de la Universidad de Ohio para identificar los efectos de la temperatura y los defectos estructurales en la conductividad del aluminio y desarrollar una receta átomo por átomo para aumentar su conductividad.

Este tipo de simulación molecular nunca antes se había realizado para metales, por lo que los investigadores tuvieron que ser creativos. Buscaron inspiración en los semiconductores porque investigaciones anteriores habían simulado con éxito la conductividad en estos materiales a base de silicio y algunos óxidos metálicos. El equipo adaptó estos conceptos para trabajar con aluminio y simuló lo que sucedería con la conductividad del metal si se eliminaran o reorganizaran los átomos individuales de su estructura. Estos pequeños cambios se sumaron a grandes ganancias en la conductividad total.

La capacidad del modelo para simular condiciones del mundo real sorprendió incluso al equipo. «No pensamos que estos resultados estarían tan cerca de la realidad», dijo Kappagantula. «Esta simulación de modelo que se basa en la estructura atómica y sus diferentes estados es tan precisa que dije: ‘Guau, eso es justo en el objetivo’. Es muy emocionante.»

Con una receta teórica para alterar la conductividad del metal ahora clara, los investigadores planean ver cuánto pueden aumentar la conductividad del aluminio en el laboratorio para hacer coincidir la teoría con los resultados experimentales. También están explorando la posibilidad de aumentar la conductividad de otros metales utilizando las mismas simulaciones.

La investigación se publica en Physical Review B, y el equipo espera que un aluminio más conductor tenga implicaciones de gran alcance: cualquier aplicación que use electricidad o cobre podría beneficiarse del desarrollo de aluminio ultraconductor, ligero y asequible.