Según las predicciones de un nuevo estudio realizado por un grupo internacional de investigadores, el diamante puede conducir electricidad similar a la de los metales cuando se deforma a tensiones de nanoescala.
El equipo estaba encabezado por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos.
El equipo de investigación, en el que también participaron investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo (Skoltech) de Rusia, utilizó simulaciones informáticas para demostrar las primeras pruebas de concepto.
Según este concepto, cuando se aplica tensión mecánica a las agujas de diamante a nanoescala, ésta puede cambiar de manera reversible su geometría y, por lo tanto, sus características eléctricas, impartiéndoles una conductividad similar a la de los metales a presión y temperatura ambiente.
Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America el 5 de octubre de 2020, el nuevo estudio puede dar lugar a próximas aplicaciones en la electrónica de potencia que se emplean en una amplia gama de máquinas, desde aparatos eléctricos, automóviles, redes inteligentes, dispositivos ópticos, diodos emisores de luz (LED) de alta eficiencia y detección cuántica, lo que mejora y potencia lo que los sensores pueden hacer actualmente.
Los autores correspondientes del estudio son el Presidente de la NTU y el Profesor Subra Suresh, el Profesor del MIT Ju Li, y el Científico Investigador Principal del MIT Ming Dao. La lista de autores incluye a Zhe Shi, un estudiante graduado del MIT, y a Evgenii Tsymbalov y al profesor Alexander Shapeev de Skoltech.
Los hallazgos de este estudio son el resultado de un descubrimiento experimental realizado por un equipo de investigación de la NTU-Hong Kong-MIT encabezado por el profesor Suresh, quien informó en un artículo publicado en la revista Science en 2018 que las nanoagujas de diamante -cada una de las cuales es aproximadamente mil veces más delgadas que una sola hebra de cabello humano- pueden estirarse y doblarse significativamente para que vuelvan a su lugar sin que se vean afectadas al liberar la tensión.
La extraordinaria dureza y rigidez del diamante, junto con sus numerosas características físicas extremas, lo convierten en el material candidato preferido para muchas aplicaciones diferentes.
El último descubrimiento también ofrece nuevas oportunidades para el uso innovador de los diamantes en los campos de la electrónica de potencia, la información cuántica y la fotónica, incluido el diseño de fotodetectores, emisores y sensores cuánticos de gran eficacia, y también en aplicaciones de imágenes biomédicas.
«La capacidad de diseñar y concebir la conductividad eléctrica del diamante sin modificar su composición química y su estabilidad ofrece una flexibilidad sin precedentes para diseñar sus funciones de forma personalizada. Los métodos demostrados en este trabajo podrían aplicarse a una amplia gama de otros materiales semiconductores de interés tecnológico en aplicaciones mecánicas, microelectrónicas, biomédicas, energéticas y fotónicas, mediante la ingeniería de deformación», dice Subra Suresh, distinguido profesor y presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur.
De aislante a conductor metálico
Los materiales que permiten que una corriente eléctrica pase fácilmente se llaman conductores eléctricos, mientras que los materiales, como el diamante, que no lo hacen, se conocen como aislantes eléctricos.
Los diamantes que existen en la mayoría de las formas son buenos aislantes eléctricos y esto se puede atribuir a su brecha energética o banda prohibida (band gap) de 5,6 voltios de electrones (eV). En otras palabras, se requiere una enorme cantidad de energía para activar los electrones en el material antes de que puedan comportarse como portadores en una corriente eléctrica. Una banda prohibida de diamante más pequeña hace que sea relativamente más fácil que la corriente fluya.
Figura 1. Arriba a la izquierda: imagen de microscopio electrónico de nanoagujas dobladas. Derecha: ilustraciones por computadora de la cantidad de tensión que se aplica. Fuente: MIT News.
Con la ayuda de simulaciones por computadora que implicaron análisis de deformación mecánica, mecánica cuántica y machine learning, los investigadores aprendieron que este espacio de banda puede estrecharse deformando elásticamente la nano-aguja de diamante. Los científicos lo lograron aplicando presión sobre las nanoagujas de diamante empujando una sonda sobre la misma, como se muestra en la figura 1.
El equipo demostró que cuando la cantidad de tensión en la nano-aguja de diamante se incrementa, su banda se estrecha, lo que indica una mayor conductividad eléctrica. También observaron que esta banda prohibida desapareció por completo cerca de la mayor cantidad de tensión que podía tolerar la aguja antes de romperse.
Los investigadores también demostraron que esta metalización del diamante a escala nanométrica puede realizarse sin activar la transformación de fase o la inestabilidad del fonón del diamante al grafito, el material blando utilizado en los lápices.
Para entrenar los algoritmos de machine learning, el equipo aplicó posteriormente los resultados de la simulación para detectar las condiciones generales para adquirir la conductividad eléctrica óptima del diamante a escala nanométrica en numerosas configuraciones geométricas.
Si bien el estudio científico se encuentra todavía en una fase inicial, ofrece definitivamente oportunidades para el desarrollo adicional de dispositivos prometedores que tienen características y rendimiento incomparables.
«Hemos descubierto que es posible reducir la brecha energética del diamante de 5,6 eV a cero. El punto de esto es que si se puede cambiar continuamente de 5,6 a cero eV, entonces se cubre todo el rango de la brecha energética. A través de la ingeniería de tensión, se puede hacer que el diamante tenga la banda prohibida del silicio, que es más ampliamente utilizado como un semiconductor, o el nitruro de galio, que se utiliza para los LED», dice Ju Li, Co-autor del estudio y profesor del MIT.
» Incluso puede convertirlo en un detector de infrarrojos o detectar un rango completo de luz desde la parte infrarroja hasta la ultravioleta del espectro», concluyó Li.
Noticia tomada de: Azonano / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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