Es un mundo material y extremadamente versátil, teniendo en cuenta sus bloques de construcción más básicos, los átomos, se pueden conectar entre sí para formar diferentes estructuras que conservan la misma composición.

Diamante y grafito, por ejemplo, son solo dos de los muchos polimorfos del carbono, lo que significa que ambos tienen la misma composición química y solo difieren en la forma en que sus átomos están conectados. Pero qué gran diferencia hace la conectividad:la primera entra en un anillo y cuesta miles de dólares, mientras que este último tiene que sentarse contenido dentro de un humilde lápiz.

El compuesto inorgánico dióxido de hafnio comúnmente utilizado en recubrimientos ópticos también tiene varios polimorfos, incluyendo una forma tetragonal con propiedades muy atractivas para chips de computadora y otros elementos ópticos. Sin embargo, debido a que esta forma es estable solo a temperaturas superiores a 3100 grados Fahrenheit (piense en un infierno ardiente), los científicos han tenido que conformarse con su polimorfo monoclínico más limitado. Hasta ahora.

Un equipo de investigadores dirigido por la química Beth Guiton de la Universidad de Kentucky y el químico Sarbajit Banerjee de la Universidad Texas A&M en colaboración con el ingeniero científico de materiales de Texas A&M Raymundo Arroyave ha encontrado una manera de lograr esta fase tetragonal muy buscada a 1100 grados Fahrenheit.

La investigación del equipo, publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , detalla su observación de esta espectacular transformación átomo por átomo, presenciado con la ayuda de microscopios increíblemente poderosos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Después de reducir por primera vez las partículas monoclínicas de dióxido de hafnio al tamaño de diminutas nanovarillas de cristal, poco a poco los calentaron, prestando mucha atención a la estructura similar a un código de barras que caracteriza a cada nanovarilla y, en particular, su par de nanoescala, franjas formadoras de fallas que parecen funcionar como zona cero para la transición.

"En este estudio, estamos viendo una pequeña barra de óxido de metal transformarse de una estructura, que es el material típico que se encuentra a temperatura ambiente, en una diferente, la estructura relacionada no suele ser estable por debajo de 3100 grados Fahrenheit, "dijo Guiton, quien es profesor asociado de química en la Facultad de Artes y Ciencias del Reino Unido. "Esto es significativo porque el material de alta temperatura tiene propiedades asombrosas que lo convierten en un candidato para reemplazar el dióxido de silicio en la industria de los semiconductores". que está construido sobre silicio ".

La industria de los semiconductores ha dependido durante mucho tiempo del dióxido de silicio como su delgada, capa no conductora de elección en el espacio crítico entre el electrodo de puerta (la válvula que enciende y apaga un transistor) y el transistor de silicio. El adelgazamiento constante de esta capa no conductora es lo que permite que los transistores se vuelvan más pequeños y rápidos, pero Guiton señala que existe algo así como demasiado delgado:el punto en el que los electrones comienzan a chapotear a través de la barrera, calentando así su entorno y drenando energía. Ella dice que la mayoría de nosotros hemos visto y sentido este escenario hasta cierto punto (juego de palabras), por ejemplo, mientras mira videos en nuestros teléfonos y la batería se agota simultáneamente a medida que el dispositivo en nuestra palma comienza a calentarse notablemente.

A medida que los chips de computadora se vuelven más pequeños, más rápido y más potente, sus capas aislantes también deben ser mucho más robustas, lo que actualmente es un factor limitante para la tecnología de semiconductores. Guiton dice que esta nueva fase de hafnia es un orden de magnitud mejor para resistir los campos aplicados.

Cuando se trata de observar la transición estructural de hafnia entre su estado monoclínico tradicional y esta fase tetragonal comercialmente deseable a temperatura cercana a la ambiente, Banerjee dice que no es diferente a la televisión popular, específicamente, el "Salón de las Caras" en el programa de HBO "Juego de Tronos".

"En esencia, hemos podido ver en tiempo real, átomo por átomo, a medida que hafnia se transforma en una nueva fase, al igual que Arya Stark con una nueva cara, "Banerjee dijo." La nueva fase de hafnia tiene un valor 'k' mucho más alto que representa su capacidad para almacenar carga, lo que permitiría que los transistores funcionen muy rápido mientras simplemente beben energía en lugar de agotarla. Las rayas resultan ser realmente importantes, ya que ahí es donde comienza la transición cuando la hafnia pierde sus rayas ".

Arroyave acredita la información a escala atómica en tiempo real por permitirle al grupo darse cuenta de que la transformación ocurre de una manera muy diferente a niveles de nanoescala que dentro de las partículas macroscópicas que dan como resultado la forma monoclínica de hafnia. El hecho de que sea a nanoescala en primer lugar es la razón por la que dice que la transición ocurre en, o mucho más cerca de, temperatura ambiente.

"A través de la síntesis a nanoescala, la 'altura' de la barrera de energía que separa las dos formas se ha reducido, lo que permite observar hafnia tetragonal a temperaturas mucho más bajas de lo habitual, ", Dijo Arroyave." Esto apunta hacia estrategias que podrían usarse para estabilizar una serie de formas útiles de materiales que pueden permitir una amplia gama de funcionalidades y tecnologías asociadas. Este es solo un ejemplo de las vastas posibilidades que existen cuando comenzamos a explorar el espacio de los materiales 'metaestables' ".

Banerjee dice que este estudio sugiere una forma de estabilizar la fase tetragonal a la temperatura ambiente real, lo que señala que su grupo logró previamente a través de un método diferente el año pasado, y grandes implicaciones para el ayuno, transistores de bajo consumo de energía capaces de controlar la corriente sin consumir energía, reduciendo la velocidad o produciendo calor.

"Las posibilidades son infinitas, incluyendo laptops aún más potentes que no se calientan y beben energía de sus baterías y teléfonos inteligentes que 'mantienen la calma y continúan, '", Dijo Banerjee." Estamos tratando de aplicar estos mismos trucos a otros polimorfos de dióxido de hafnio y otros materiales, aislando otras fases que no se estabilizan fácilmente a temperatura ambiente pero que también pueden tener propiedades extrañas y deseables ".