Un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania está obteniendo nuevos conocimientos sobre los materiales inteligentes utilizados en la tecnología de ultrasonido. Mientras forma el modelo más completo hasta la fecha de cómo funcionan estos materiales, han encontrado sorprendentes similitudes con el comportamiento del agua.

La investigación, publicado en Naturaleza , fue dirigido por Andrew M. Rappe, el profesor Blanchard de Química en la Escuela de Artes y Ciencias y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y el postdoctorado Hiroyuki Takenaka en el Departamento de Química. El especialista en investigación de Penn, Ilya Grinberg, y el alumno Shi Liu también contribuyeron al estudio.

Los investigadores de este grupo están interesados ​​en cómo interactúan los materiales con, aprovechar y convertir la energía en diferentes formas. En este estudio, estaban investigando un comportamiento de material inteligente llamado piezoelectricidad, que es el intercambio de energía mecánica con energía eléctrica.

En piezoelectricidad, la aplicación de un campo eléctrico a un material reorienta los dipolos dentro de él; esta es la clave de la funcionalidad del material.

"Puedes imaginar que hay una jaula de átomos de oxígeno, "Rappe dijo, "y hay un ion positivo en el medio. Si se encuentra en el medio de la jaula, no hay dipolo, pero si se mueve fuera del centro, entonces hay un dipolo. El reordenamiento de esos dipolos es lo que conduce a estas propiedades inteligentes del material ".

A medida que los iones positivos se mueven fuera del centro, las jaulas de iones que las rodean se encogen o se alargan de forma concertada, haciendo que el material cambie de forma.

En dispositivos de ultrasonido, proporcionar voltaje hace que el material cambie de forma, o vibrar, y esas vibraciones entran en el cuerpo humano y hacen eco alrededor. Los materiales piezoeléctricos también se utilizan en el sonar para permitir que los instrumentos vean bajo el agua.

Recientemente, Se descubrió un conjunto de materiales que los científicos creen que ofrece un rendimiento piezoeléctrico más alto que los anteriores. Pero a un nivel fundamental, Rappe dijo:la gente no entendía por qué estos materiales funcionan tan bien como lo hacen.

"Si no sabe por qué funciona, ¿Cómo podrías aplicar ingeniería inversa y pasar al siguiente nivel? ", dijo.

Los investigadores suelen utilizar la teoría y el modelado para estudiar materiales inteligentes. Tienen una idea de cómo creen que funciona un sistema y pueden representar lo que hace un material real resolviendo algunas ecuaciones.

"Una cosa que hacemos a menudo es resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica porque se sabe que la mecánica cuántica es un modelo preciso de cómo se comportan los electrones, "Rappe dijo." Los electrones son el pegamento que mantiene unidos los núcleos. Si sabes cómo se comportan, entonces sabes lo que determina cuándo se rompen y se forman los lazos, etc. "

Pero un desarrollo emocionante, él dijo, es la capacidad de ir más allá de lo que los investigadores pueden permitirse mecánicamente cuánticamente y construir modelos mecánicos para darles una forma más aproximada de tratar los enlaces en un sólido y al mismo tiempo permitirles modelar temperaturas finitas, mayores cantidades de material y por períodos de tiempo más prolongados.

"Esto nos permite observar comportamientos que tardan mucho en ocurrir o que solo ocurren en el interior de un material, y esto nos brinda perspectivas únicas sobre comportamientos complicados, "Dijo Rappe.

Mientras que otros experimentos han probado este material y algunos modelos teóricos han revelado ciertos aspectos del mismo, los investigadores de Penn ahora han proporcionado el modelo más completo hasta la fecha de cómo funciona este material.

Previamente, los científicos pensaron que a temperaturas más altas es "cada dipolo para sí mismo, "Haciéndoles más fácil responder a estímulos externos como campos eléctricos.

A medida que el material se enfría, los dipolos se agrupan en grupos llamados nano-regiones polares. A medida que estas regiones crecen, se vuelven lentos y cada vez les resulta más difícil responder.

En este nuevo artículo, los investigadores demostraron que, mientras que a temperaturas más altas los dipolos flotan libremente a medida que la temperatura se enfría y los dipolos se encuentran y forman estas nano regiones polares, las regiones en realidad no crecen más, sino que se alinean más a fondo.

Esto conduce al nacimiento de muros de dominio dentro del material que separa parches de diferente alineación. Son estas paredes de dominio entre regiones dipolares las que conducen a propiedades piezoeléctricas mejoradas en el material.

Esto se hace eco de un comportamiento similar en el agua, donde cuanto menor es la temperatura, más correlacionados se vuelven los dipolos, pero la correlación no se mantiene a distancias mayores.

"Nunca están perfectamente alineados, ", Dijo Rappe." Los dipolos de agua cercanos pueden alinearse cada vez más, pero debido a los enlaces de hidrógeno hay un tamaño intrínseco más allá del cual no crece ".

Los materiales piezoeléctricos son un elemento importante en los transductores, actuadores y sensores utilizados en muchas industrias. La falta de comprensión sobre cómo funcionan ha ralentizado la mejora de materiales de mayor calidad. Este artículo proporciona una comprensión novedosa de cómo funcionan y revela similitudes con el comportamiento del agua.

Una comprensión más completa de por qué estos materiales se comportan de la manera en que lo hacen puede desbloquear el diseño de nuevos materiales, lo que lleva a piezoeléctricas de mayor calidad que pueden revolucionar las aplicaciones de materiales inteligentes.

"Es emocionante poder construir un modelo a partir de electrones individuales hasta millones de átomos a una temperatura finita y observar propiedades complejas, "Rappe dijo, "y es emocionante que la observación de esas propiedades complejas nos brinde nuevas direcciones productivas en las que podamos mejorar los materiales que convertirán la energía de manera más eficiente en dispositivos útiles para ayudar a las personas".