Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha observado y descrito por primera vez la microestructura única de un nuevo material ferroeléctrico, lo que permitirá desarrollar materiales piezoeléctricos sin plomo para la electrónica, los sensores y el almacenamiento de energía que sean más seguros para el uso humano. El trabajo fue dirigido por el Grupo Alem de Penn State y en colaboración con equipos de investigación de la Universidad de Rutgers y la Universidad de California, Merced. El artículo que recoge los resultados se ha publicado en Nature Communications.
Los ferroeléctricos son una clase de materiales que muestran una polarización eléctrica espontánea cuando se aplica una carga eléctrica externa. Esto provoca una polarización eléctrica espontánea cuando las cargas positivas y negativas de los materiales se dirigen a polos diferentes. Estos materiales también tienen propiedades piezoeléctricas, lo que significa que el material genera una carga eléctrica bajo una fuerza mecánica aplicada.
La propiedad piezoeléctrica permite a estos materiales producir electricidad a partir de energía como el calor, el movimiento o incluso el ruido, que de otro modo podría desperdiciarse. Por tanto, tienen potencial para ser alternativas a la energía basada en el carbono, como por ejemplo, para aprovechar la energía del calor residual. Además, los materiales ferroeléctricos son especialmente útiles para el almacenamiento de datos y la memoria, ya que pueden permanecer en un estado polarizado sin necesidad de energía adicional, lo que los hace atractivos para el almacenamiento de datos y la electrónica de bajo consumo. También se utilizan ampliamente en aplicaciones beneficiosas como interruptores, dispositivos médicos importantes como monitores de ritmo cardíaco y ultrasonidos, almacenamiento de energía y actuadores.
Pero los materiales piezoeléctricos más resistentes contienen plomo, lo cual es un problema importante, ya que el plomo es tóxico para los seres humanos y los animales.
Nasim Alem, profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Pensilvania y autor del estudio, dijo: «Nos encantaría diseñar un material piezoeléctrico que no tuviera las desventajas de los materiales actuales. Y ahora mismo, el plomo en todos estos materiales es una gran desventaja porque el plomo es peligroso. Esperamos que nuestro estudio pueda dar como resultado un candidato adecuado para un sistema piezoeléctrico mejor».
Para desarrollar un camino hacia ese material sin plomo con fuertes propiedades piezoeléctricas, el equipo de investigación trabajó con manganato de calcio, Ca3Mn2O7 (CMO). El CMO es un novedoso material ferroeléctrico híbrido impropio con algunas propiedades interesantes.
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Leixin Miao, doctorando en ciencia de los materiales y primer autor del estudio, explicó: «El principio de diseño de este material consiste en combinar el movimiento de los pequeños octaedros de oxígeno del material. En el material, hay octaedros de átomos de oxígeno que pueden inclinarse y girar. El término «ferroeléctrico híbrido impropio» significa que combinamos la rotación y la inclinación de los octaedros para producir ferroelectricidad. Se considera un ‘híbrido’ porque es la combinación de dos movimientos de los octaedros lo que genera esa polarización para la ferroelectricidad. Se considera un ferroeléctrico ‘impropio’ ya que la polarización se genera como un efecto secundario».
También hay una característica única de la microestructura del CMO que es una especie de misterio para los investigadores.
«A temperatura ambiente, hay algunas fases polares y no polares que coexisten a temperatura ambiente en el cristal», dijo Miao. «Y se cree que esas fases coexistentes están relacionadas con el comportamiento de expansión térmica negativa. Es bien sabido que, normalmente, un material se expande cuando se calienta, pero éste se encoge. Eso es interesante, pero sabemos muy poco sobre la estructura, como la forma en que coexisten las fases polares y no polares».
Para entenderlo mejor, los investigadores utilizaron la microscopía electrónica de transmisión a escala atómica.
«La razón por la que utilizamos la microscopía electrónica es que con ella podemos utilizar sondas a escala atómica para ver la disposición atómica exacta en la estructura», dijo Miao. «Y fue muy sorprendente observar las nanorregiones polares de doble capa en los cristales de CMO. Hasta donde sabemos, es la primera vez que se ha observado directamente esa microestructura en los materiales de perovskita en capas».
Según los investigadores, nunca se había observado lo que le ocurre a un material que atraviesa esa transición de fase ferroeléctrica. Pero con la microscopía electrónica pudieron monitorizar el material y lo que ocurría durante la transición de fase.
Esto, a su vez, permitió el desarrollo de potentes materiales piezoeléctricos sin plomo.
«Los científicos han tratado de encontrar nuevos caminos para descubrir materiales ferroeléctricos sin plomo para muchas aplicaciones beneficiosas», dijo Miao. «Se considera que la existencia de las nanorregiones polares beneficia a las propiedades piezoeléctricas, y ahora demostramos que, mediante la ingeniería de defectos, podemos ser capaces de diseñar nuevos cristales piezoeléctricos fuertes que, en última instancia, sustituirían a todos los materiales que contienen plomo para aplicaciones de ultrasonidos o actuadores.»
El trabajo de caracterización que reveló estos procesos nunca antes vistos en el material se llevó a cabo en las instalaciones del Instituto de Investigación de Materiales en el Complejo Científico del Milenio. Esto incluyó múltiples experimentos con microscopios electrónicos de transmisión (TEM) que permitieron ver lo nunca visto.
Hay una larga lista de autores a los que dar crédito, demasiado larga para una entrada de blog. Sin embargo, es necesario mencionar que la lista puede verse tanto en la página del comunicado de prensa como en la del resumen del estudio.
El plomo, aunque es muy útil y muy manejable, es en realidad un material bastante tóxico cuando se ingiere. Es lo suficientemente blando como para llegar a la piel y a la boca y la nariz, algo que no se quiere que ocurra.
La esperanza es que productos y dispositivos que simplemente no existen hoy en día puedan llegar al mercado de consumo a medida que las propiedades de los nuevos materiales se exploren más ampliamente.
Por el momento, parece que pronto llegarán productos mejores y más seguros si el coste del manganato de calcio en la fabricación es lo suficientemente bajo en costes y procesamiento. También es probable que haya más materiales en el futuro.
Noticia tomada de: OilPrice / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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