Las áreas urbanas sin suficiente cobertura arbórea son significativamente más cálidas que sus alrededores. Este efecto de "isla de calor urbano" se debe principalmente a la absorción de la radiación del infrarrojo cercano (NIR) de la luz solar. Los pigmentos reflectantes de NIR que pueden mitigar dichos efectos de calentamiento son, por lo tanto, muy deseables.

En particular, los pigmentos inorgánicos funcionales son un candidato atractivo en este frente. De hecho, el Dr. Ryohei Oka y su colega del Instituto de Tecnología de Nagoya, Japón, han demostrado que los compuestos cerámicos de perovskita en capas del tipo A₂ BO₄ son ideales para reflejar NIR. En su estudio anterior, se descubrió que las nuevas perovskitas, como el óxido de calcio y manganeso con titanio añadido (Ca₂ (Mn,Ti)O₄ ) las cerámicas reflejan mucho mejor la radiación NIR que los pigmentos negros disponibles comercialmente. Sin embargo, el mecanismo por el cual el Ca₂ (Mn,Ti)O₄ logra esta notable hazaña sigue siendo desconocido.

En un estudio reciente publicado en Inorganic Chemistry , el Dr. Oka y su colega, el Dr. Tomokatsu Hayakawa, analizaron la estructura y composición del Ca₂ (Mn,Ti)O₄ usando una combinación de técnicas estándar teóricas y experimentales para investigar los factores que contribuyen a su reflectividad NIR mejorada. Este documento estuvo disponible en línea el 19 de abril de 2022 y se publicó en el volumen 61, número 17 de la revista el 2 de mayo de 2022.

En su trabajo, el dúo empleó la difracción de rayos X (XRD) y la espectroscopia Raman en combinación con un método computacional llamado "teoría funcional de la densidad" (DFT) para extraer con éxito los detalles faltantes sobre la estructura cristalina y los estados electrónicos del Ca_2. (Mn,Ti)O₄ . "Pocos estudios hasta ahora han realizado espectroscopía Raman de Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . Además, no han proporcionado ningún detalle de sus modos vibratorios. Sin embargo, la información sobre sus estados electrónicos y modos de vibración es crucial para comprender cómo estas perovskitas resultan ser tan buenos reflectores NIR", dice el Dr. Oka, explicando la motivación detrás de su enfoque.

El dúo analizó la estructura cristalina del óxido de manganeso de calcio (Ca₂ MnO₄ ) y rastreó los cambios estructurales que ocurrieron con la adición de impurezas de Ti. Además, identificaron cómo se modifican los enlaces químicos dentro de la perovskita al introducir impurezas de Ti. Descubrieron que, en comparación con Ca₂ MnO₄ , Ca₂ (Mn,Ti)O₄ exhibió un pico Raman adicional que probablemente se debió a la activación de un "modo silencioso" causado por las impurezas de Ti. Sin embargo, los patrones XRD de Ca₂ MnO₄ y Ca₂ (Mn,Ti)O₄ eran idénticos. El dúo atribuyó esto a la correlación Ti-Ti a cierta distancia.

Otro punto destacado de su estudio fue la sorprendente concordancia entre los resultados computacionales de DFT y los datos experimentales. Las brechas de energía obtenidas de los tres modelos para Ca₂ (Mn,Ti)O₄ utilizados por el dúo en sus cálculos acordados entre sí, así como el valor experimental. Además, el resultado fue independiente de la sustitución de Ti o de su posición en el cristal. Además, los cálculos revelaron que la reflectividad NIR mejorada al agregar iones de Ti resultó de una reducción de la "densidad de estados" (la cantidad de estados electrónicos por unidad de volumen por unidad de energía) cerca del nivel de Fermi (el nivel de energía más alto que puede ocupar un electrón a temperatura cero absoluta).

Estos hallazgos nos acercan un paso más hacia el descubrimiento de la propiedad de protección térmica de las cerámicas de perovskita. La combinación perfecta de enfoques experimentales y teóricos desarrollados en este estudio proporciona una receta general para comprender la estructura y las propiedades no solo de A₂ BO₄ tipo cerámica, sino una gama de cerámicas de perovskita complejas. Como dice el Dr. Oka, "este enfoque combinacional es aplicable a una amplia gama de cerámicas cristalinas funcionalizadas para comprender sus propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas de una manera mucho mejor con modelos estructurales más confiables obtenidos computacionalmente".

De hecho, la comprensión detallada del mecanismo de reflexión NIR mejorado sería extremadamente beneficiosa, ya que los pigmentos inorgánicos encuentran más aplicaciones como recubrimientos térmicos superiores para edificios urbanos. + Explora más

Exploración de los procesos y dinámicas cruciales de transferencia de portadores de carga dentro de las capas activas de perovskita