En un ejemplo del adagio "todo lo viejo es nuevo otra vez", los ingenieros del MIT informan de un nuevo descubrimiento en semiconductores, materiales bien conocidos que han sido objeto de un intenso estudio durante más de 100 años gracias a sus numerosas aplicaciones en dispositivos electrónicos.

El equipo descubrió que estos materiales importantes no solo se vuelven mucho más rígidos en respuesta a la luz, sino que el efecto es reversible cuando se apaga la luz. Los ingenieros también explican lo que está sucediendo a escala atómica y muestran cómo se puede ajustar el efecto al hacer los materiales de cierta manera, introduciendo defectos específicos, y usando diferentes colores e intensidades de luz.

"Estamos entusiasmados con estos resultados porque hemos descubierto una nueva dirección científica en un campo por lo demás muy bien transitado. Además, descubrimos que el fenómeno puede estar presente en muchos otros compuestos", dice Rafael Jaramillo, Thomas Lord Profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT y líder del equipo.

Dice Ju Li, otro profesor del MIT involucrado en el trabajo, "ver defectos que tienen efectos tan grandes en la respuesta elástica es muy sorprendente, lo que abre la puerta a una variedad de aplicaciones. La computación podría ayudarnos a detectar muchos más materiales de este tipo". Li es profesor de Battelle Energy Alliance en Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) con un nombramiento conjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). Tanto Jaramillo como Li también están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales.

El trabajo se informa en la edición del 3 de agosto de Physical Review Letters . El documento resultante se destacó como una sugerencia de los editores. También es el tema central de una sinopsis adjunta para Physics Magazine titulado "Semiconductors in the Spotlight", de Sophia Chen.

Otros autores del artículo son Jiahao Dong y Yifei Li, estudiantes graduados de DMSE que contribuyeron igualmente al trabajo; Yuying Zhou, estudiante de posgrado visitante de DMSE del Instituto de Física Aplicada de Shanghái; Alan Schwartzman, científico investigador del DMSE; Haowei Xu, estudiante de posgrado en NSE; y Bilal Azhar, estudiante de DMSE que se graduó en 2020.

Problema intrigante

Jaramillo recuerda haber estado intrigado por un artículo de 2018 en Science mostrando cómo un semiconductor hecho de sulfuro de zinc se vuelve más frágil cuando se expone a la luz. "Cuando [los investigadores] lo iluminaron, se comportó como una galleta. Se partió. Cuando apagaron la luz, se comportó más como un osito de goma, donde se podía apretar sin romperse en pedazos".

¿Por qué? Jaramillo y sus colegas decidieron averiguarlo.

En el camino, el equipo no solo reprodujo el trabajo de Science, sino que también demostró que los semiconductores cambiaban su elasticidad, una forma de rigidez mecánica, cuando se exponían a la luz.

"Piense en una pelota saltarina", dice Jaramillo. "La razón por la que rebota es porque es elástico. Cuando lo tiras al suelo, se deforma pero luego vuelve a saltar inmediatamente (es por eso que rebota). Lo que descubrimos, que fue bastante sorprendente, es que las propiedades elásticas [de los semiconductores ] puede sufrir cambios tremendos bajo la iluminación, y que estos cambios son reversibles cuando se apaga la luz".

Qué está pasando

En el trabajo actual, el equipo realizó una variedad de experimentos con sulfuro de zinc y otros dos semiconductores en los que midieron la rigidez de los materiales en diferentes condiciones, como la intensidad de la luz, utilizando una técnica sensible llamada nanoindentación. En esa técnica, una punta de diamante que se mueve a lo largo de la superficie del material registra cuánta fuerza se necesita para empujar el pasador hacia los 100 nanómetros, o milmillonésimas de metro, de la superficie.

También realizaron simulaciones por computadora de lo que podría estar sucediendo a escala atómica, desarrollando lentamente una teoría de lo que estaba sucediendo. Descubrieron que los defectos, o átomos faltantes, en los materiales desempeñaban un papel importante en la respuesta mecánica de los materiales a la luz.

"Estas vacantes hacen que la red cristalina del material se ablande porque algunos de los átomos están más separados. Piense en las personas en un vagón de metro. Es más fácil meter a más personas si hay espacios más grandes entre ellas", dice Jaramillo.

"Bajo la iluminación, los átomos presentes se excitan y se vuelven más repelentes. Es como si esas personas en el vagón del metro de repente comenzaran a bailar y a abrazarse", continuó. El resultado:los átomos se resisten con más fuerza a estar más juntos y el material se vuelve más rígido mecánicamente.

El equipo descubrió rápidamente que podían ajustar esa rigidez cambiando la intensidad y el color de la luz, y diseñando defectos específicos en los materiales. “Es bueno cuando puedes reducir algo a la ingeniería de defectos, porque entonces puedes conectarte con una de las competencias centrales de los científicos de materiales, que es controlar los defectos”, dijo Jaramillo. "Eso es más o menos lo que hacemos para ganarnos la vida". + Explora más

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Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.