El sulfuro de samario dopado con varios elementos de tierras raras se encoge a medida que la temperatura aumenta de menos 175 ° C a aproximadamente 40-60 ° C. Aquí se muestra la contracción lineal relativa en comparación con la longitud a aproximadamente 120 ° C. Para el dopante de cerio (Ce), la disminución porcentual del volumen es de aproximadamente un 2,6%. Estas muestras se produjeron mediante un proceso escalable industrialmente, allanando el camino para aplicaciones prácticas de esta clase de sulfuros como compensadores de expansión térmica. Crédito:K. Takenaka / John Wojdylo
Una forma en que el calor daña los equipos electrónicos es que hace que los componentes se expandan a diferentes velocidades, resultando en fuerzas que causan micro-agrietamiento y distorsión. Los componentes de plástico y las placas de circuito son particularmente propensos a dañarse debido a los cambios de volumen durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. Pero si se pudiera incorporar un material a los componentes que compense la expansión, las tensiones se reducirían y su vida útil aumentaría.
Todo el mundo conoce un material que se comporta así:el agua líquida se expande cuando se congela y el hielo se contrae cuando se derrite. Pero el agua líquida y los dispositivos electrónicos no se mezclan bien; en cambio, lo que se necesita es un sólido con "expansión térmica negativa" (NTE).
Aunque estos materiales se conocen desde la década de 1960, había que superar una serie de desafíos antes de que el concepto fuera ampliamente útil y comercialmente viable. En términos de materiales y función, estos esfuerzos solo han tenido un éxito limitado. Los materiales experimentales se habían producido en condiciones de laboratorio especializadas utilizando equipos costosos; y aún entonces, los rangos de temperatura y presión en los que exhibirían NTE estaban muy por fuera de las condiciones normales de la vida diaria. Es más, la cantidad que se expandieron y contrajeron dependió de la dirección, que indujeron tensiones internas que cambiaron su estructura, lo que significa que la propiedad NTE no duraría más que unos pocos ciclos de calentamiento y enfriamiento.
Un equipo de investigación dirigido por Koshi Takenaka de la Universidad de Nagoya ha logrado superar estos desafíos de ingeniería de materiales. Inspirado en la serie de trabajos de Noriaki Sato, también de la Universidad de Nagoya, cuyo descubrimiento el año pasado de superconductividad en cuasicristales fue considerado uno de los diez descubrimientos físicos más importantes del año por Mundo de la física revista:el profesor Takenaka tomó el elemento de tierras raras samario y su sulfuro, monosulfuro de samario (SmS), que se sabe que cambia de fase de la "fase negra" a la "fase dorada" de menor volumen. El problema era ajustar el rango de temperaturas a las que se produce la transición de fase. La solución del equipo fue reemplazar una pequeña proporción de átomos de samario con otro elemento de tierras raras, dando Sm 1-x R X S, donde "R" es cualquiera de los elementos de tierras raras cerio (Ce), neodimio (Nd), praseodimio (Pr) o itrio (Y). La fracción x que usó el equipo fue típicamente 0.2, excepto el itrio. Estos materiales mostraron una "expansión térmica negativa gigante" de hasta un 8% a presión ambiente normal y un rango útil de temperaturas (alrededor de 150 grados) incluso a temperatura ambiente y superior (Fig. 1). El cerio es el candidato estrella aquí porque es relativamente barato.
Durante la transición de la fase negro-dorado, los átomos de samario se vuelven más pequeños mientras que la estructura cristalina permanece igual. El espacio entre los átomos en el cristal se reduce a medida que se agrega calor, por lo que se encoge. La cantidad de cambio de volumen depende del dopante de metal de tierras raras, así como de su proporción. El cristal en sí cambia de un aislante a un metal. Crédito:K. Takenaka / John Wojdylo
La naturaleza de la transición de fase es tal que los materiales se pueden pulverizar en tamaños de cristales muy pequeños alrededor de una micra en un lado sin perder su propiedad de expansión negativa. Esto amplía las aplicaciones industriales, particularmente dentro de la electrónica.
Si bien el logro de ingeniería del grupo de la Universidad de Nagoya es impresionante, cómo funciona la expansión negativa es fascinante desde el punto de vista de la física fundamental. Durante la transición negro-dorado, la estructura cristalina permanece igual pero los átomos se acercan:el tamaño de la celda unitaria se vuelve más pequeño porque (como es muy probable, pero quizás aún no 100% seguro) la estructura electrónica de los átomos de samario cambia y los hace más pequeños, un proceso de intra -Transferencia de carga atómica denominada "transición de valencia" o "fluctuación de valencia" dentro de los átomos de samario (Fig. 2). "Mi impresion, "dice el profesor Takenaka, "es que la correlación entre el volumen de la red y la estructura electrónica del samario se verifica experimentalmente para esta clase de sulfuros".
Más específicamente, en la fase negra (temperatura más baja), la configuración electrónica de los átomos de samario es (4f) 6 , lo que significa que en su capa más externa tienen 6 electrones en los orbitales f (con s, orbitales pyd llenos); mientras que en la fase dorada la configuración electrónica es (4f) 5 (5d) 1 —Un electrón se ha movido de un orbital 4f a un orbital 5d. Aunque se empieza a ocupar un caparazón "superior", resulta, a través de una peculiaridad del principio de exclusión de Pauli, que el segundo caso da un tamaño de átomo más pequeño, conduciendo a un tamaño de cristal más pequeño y expansión negativa.
Captura visual que muestra los datos medidos para la contracción del sulfuro de samario dopado y el sulfuro de samario en la fase negra y en la fase dorada. Crédito:K. Takenaka / John Wojdylo
Pero esto es solo una parte del cuadro fundamental. En la fase negra el sulfuro de samario y sus vástagos dopados son aislantes:no conducen la electricidad; mientras que en la fase dorada se convierten en conductores (es decir, metales). Esto sugiere que durante la transición de la fase negro-dorado, la estructura de bandas de todo el cristal está influyendo en la transición de la cenefa dentro de los átomos de samario. Aunque nadie ha hecho los cálculos teóricos para los sulfuros de samario dopados realizados por el grupo del profesor Takenaka, un estudio teórico previo ha indicado que cuando los electrones abandonan el orbital f de los átomos del samario, dejan un "agujero" cargado positivamente que a su vez interactúa de forma repulsiva con los agujeros en la banda de conducción del cristal, afectando su interacción de intercambio. Esto se convierte en un efecto cooperativo que luego impulsa la transición de valencia en los átomos de samario. El mecanismo exacto, aunque, no se entiende bien.
Sin embargo, El logro del grupo dirigido por la Universidad de Nagoya es de ingeniería, no pura física. "Lo que es importante para muchos ingenieros es la capacidad de utilizar el material para reducir las fallas del dispositivo debido a la expansión térmica, "explica el profesor Takenaka." En resumen, en un cierto rango de temperatura:el rango de temperatura en el que funciona el dispositivo previsto, por lo general, un intervalo de decenas de grados o más:el volumen debe disminuir gradualmente con un aumento de temperatura y aumentar a medida que baja la temperatura. Por supuesto, También sé que la expansión de volumen al enfriarse durante una transición de fase [como la congelación del agua] es un caso común para muchos materiales. Sin embargo, si el volumen cambia en un rango de temperatura muy estrecho, no hay valor de ingeniería. El presente logro es el resultado de la ingeniería de materiales, no pura física ".
Quizás incluso presagia una nueva era "dorada" para la electrónica.
