“Lo más interesante de estos materiales es que funcionan a temperaturas superiores a 500 grados Celsius, "Dice la estudiante graduada del MIT Jessica Swallow, en la foto con el equipo utilizado para probar los nuevos materiales.
La realización de tareas de mantenimiento en el interior de una central nuclear supone un gran esfuerzo para los equipos, debido a temperaturas extremas que son difíciles de soportar para los componentes sin degradarse. Ahora, Los investigadores del MIT y de otros lugares han ideado una forma radicalmente nueva de fabricar actuadores que podrían utilizarse en entornos tan extremadamente calurosos.
El sistema se basa en materiales de óxido similares a los que se utilizan en muchas de las baterías recargables actuales, porque los iones entran y salen del material durante los ciclos de carga y descarga. Si los iones son iones de litio, en el caso de las baterías de iones de litio, o iones de oxígeno, en el caso de los materiales oxidados, su movimiento reversible hace que el material se expanda y contraiga.
Dicha expansión y contracción puede ser un problema importante que afecta la vida útil de una batería o celda de combustible. ya que los cambios repetidos de volumen pueden provocar la formación de grietas, potencialmente conduciendo a cortocircuitos o rendimiento degradado. Pero para actuadores de alta temperatura, estos cambios de volumen son un resultado deseado más que un efecto secundario no deseado.
Los hallazgos se describen en un informe que aparece esta semana en la revista. Materiales de la naturaleza , por Jessica Swallow, un estudiante de posgrado del MIT; Krystyn Van Vliet, el Profesor Michael (1949) y Sonja Koerner de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Harry Tuller, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; y otros cinco.
"Lo más interesante de estos materiales es que funcionan a temperaturas superiores a 500 grados Celsius, "Swallow explica. Eso sugiere que sus predecibles movimientos de flexión podrían aprovecharse, por ejemplo, para la robótica de mantenimiento dentro de un reactor nuclear, o actuadores dentro de motores a reacción o motores de naves espaciales.
Al acoplar estos materiales de óxido con otros materiales cuyas dimensiones permanecen constantes, es posible fabricar actuadores que se doblan cuando el óxido se expande o contrae. Esta acción es similar a la forma en que funcionan las tiras bimetálicas en termostatos, donde el calentamiento hace que un metal se expanda más que otro que está adherido a él, haciendo que la tira adherida se doble. Para estas pruebas, los investigadores utilizaron un compuesto denominado PCO, para óxido de cerio dopado con praseodimio.
Materiales convencionales utilizados para crear movimiento mediante la aplicación de electricidad, como dispositivos piezoeléctricos, no funcionan tan bien a temperaturas tan altas, por lo que el nuevo sistema podría abrir una nueva área de sensores y actuadores de alta temperatura. Tales dispositivos podrían usarse, por ejemplo, para abrir y cerrar válvulas en estos ambientes calientes, dicen los investigadores.
Este diagrama ilustra cómo el material de película delgada se dobla desde su estado plano normal (centro) cuando el oxígeno es absorbido por su estructura (derecha) o liberado (izquierda). Este comportamiento permite controlar de forma remota la forma de la película cambiando su carga eléctrica. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Van Vliet dice que el hallazgo fue posible como resultado de una alta resolución, sistema de medición mecánica basado en sondas para condiciones de alta temperatura que ella y sus compañeros de trabajo han desarrollado a lo largo de los años. El sistema proporciona "mediciones de precisión del movimiento del material que aquí se relacionan directamente con los niveles de oxígeno, " ella dice, permitiendo a los investigadores medir exactamente cómo el oxígeno entra y sale del óxido metálico.
Para realizar estas medidas, Los científicos comienzan depositando una fina capa de óxido metálico sobre un sustrato, luego usa el sistema de detección, que puede medir pequeños desplazamientos en una escala de nanómetros, o mil millonésimas de metro. "Estos materiales son especiales, " ella dice, "porque 'inhalan' y exhalan oxígeno, y cambiar el volumen, y eso hace que el sustrato se doble ".
Si bien demostraron el proceso utilizando un compuesto de óxido en particular, los investigadores dicen que los hallazgos podrían aplicarse ampliamente a una variedad de materiales de óxido, e incluso a otros tipos de iones además del oxígeno, entrando y saliendo de la capa de óxido.
Estos hallazgos "son muy significativos, ya que demuestran y explican la expansión química de películas delgadas a altas temperaturas, "dice Holger Fritze, un profesor en el
Universidad Tecnológica de Clausthal en Alemania, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Estos sistemas muestran una gran tensión en comparación con otros materiales estables a altas temperaturas, permitiendo así nuevas aplicaciones que incluyen actuadores de alta temperatura, " él dice.
"El enfoque utilizado aquí es muy novedoso, "dice Brian Sheldon, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown, que tampoco participó en esta investigación. "Como han señalado los autores, este enfoque puede proporcionar información que difiere de la obtenida con otros métodos que se emplean para investigar la expansión química ".
Este trabajo tiene dos características importantes, Sheldon dice:Proporciona información básica importante sobre la expansión química de tales materiales, y abre la posibilidad de nuevos tipos de actuadores de alta temperatura. "Creo que ambos son logros muy importantes, " él dice.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
