Un equipo dirigido por científicos de NREL demostró una forma de utilizar la "presión negativa" para combinar dos materiales densos en una aleación (derecha) con una densidad mucho más baja. como si convirtiera una bola de nieve en nieve esponjosa. La nueva aleación también tiene propiedades muy diferentes a las de cualquiera de sus padres. Las esferas representan átomos de manganeso (azul), selenio (rojo) y telurio (oro). Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Algunos materiales pueden transformarse en múltiples estructuras cristalinas con propiedades muy diferentes. Por ejemplo, apretar una forma blanda de carbono produce diamante, una forma de carbono más dura y brillante. La novela de Kurt Vonnegut "Cat's Cradle" presentó ice-nine, una forma ficticia de agua con un punto de fusión mucho más alto que el hielo normal que amenazaba con congelar irreversiblemente toda el agua de la Tierra.
Estos materiales se denominan polimorfos, y se hacen comúnmente aplicando presión, o apretando. A los científicos que buscan nuevos materiales también les gustaría hacer lo contrario:aplicar "presión negativa" para estirar la estructura cristalina de un material en una nueva configuración. En el pasado, este enfoque parecía requerir presiones negativas que son difíciles, si no imposibles, de lograr en el laboratorio, además, corría el riesgo de separar el material.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía han encontrado una manera de crear el equivalente a la presión negativa mezclando dos materiales en las condiciones adecuadas para hacer una aleación con una estructura cristalina más aireada y completamente diferente y con propiedades únicas. .
Las mediciones de rayos X en el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE confirmaron que han tenido éxito. Su nueva aleación tiene más espacio entre sus átomos que cualquiera de sus materiales originales, como si se hubiera extendido. A diferencia de sus padres, el nuevo material es piezoeléctrico, capaz de generar una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Esto puede ser importante para su uso en sensores y actuadores.
Publicado en Avances de la ciencia , el documento que informa sus hallazgos contiene tanto la comprensión teórica como la prueba de concepto experimental que muestran cómo se pueden fabricar estos nuevos materiales de baja densidad.
"La creación de las condiciones de presión negativa en las aleaciones requería un pensamiento contrario a la intuición, y tal vez por eso no se ha señalado antes, "dijo Andriy Zakutayev, un científico de NREL y autor principal del nuevo artículo.
Los científicos del personal de SLAC, Laura Schelhas y Kevin Stone, en una estación experimental en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, donde utilizaron rayos X para medir la estructura de un nuevo material de "presión negativa" creado en NREL. Crédito:Matt Beardsley / SLAC National Accelerator Laboratory
"Es posible aplicar presión positiva al material apretándolo, pero es muy difícil desenredar el material, ", dijo." Piénselo de esta manera:puede empacar una bola de nieve con la nieve, pero no se puede convertir una bola de nieve densa en nieve esponjosa ".
Trabajo pionero en materiales no coincidentes
El experimento se basa en un trabajo pionero dirigido por NREL sobre la mezcla de compuestos con estructuras atómicas que no coincidían.
Tan seguro como el agua fluye cuesta abajo, una reacción química tomará el camino de menor resistencia, proceder de una manera que consuma la menor cantidad de energía. Mezclar dos materiales con estructuras de alta densidad requiere mucha energía; pero si pudiera empujar la reacción en la dirección de crear un producto final de baja densidad cuyos átomos estuvieran más separados, requeriría mucha menos energía, los investigadores teorizaron. Sería el equivalente a hacer un material bajo presión negativa.
Probaron esta hipótesis mezclando formas de alta densidad de seleniuro de manganeso y telururo de manganeso que tienen diferentes estructuras cristalinas, una parecida a la sal de roca, el otro, el mineral de níquel. Para combinar los dos, utilizaron una técnica llamada pulverización catódica en la que se liberaron finos aerosoles de átomos de las superficies de ambos materiales de partida y se depositaron como una película delgada sobre una superficie caliente, donde la nueva aleación cristalizó y creció, dijo Laura Schelhas, científica asociada del personal de SLAC. Realizó mediciones de rayos X de la nueva aleación en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) del laboratorio con el científico Kevin Stone. La aleación resultó, tenía la estructura cristalina de otro mineral más, wurtzita.
"Puede utilizar este enfoque de aleación para hacer diferentes, materiales nunca antes vistos con propiedades interesantes, "Schelhas dijo". Por ejemplo, éste se vuelve piezoeléctrico:cuando aplica un voltaje a través del material, en realidad se estira y se hace más grande. Y también ocurre lo contrario:si lo presionas, produce una carga eléctrica. Estos materiales piezoeléctricos se utilizan en muchos lugares, incluidos algunos airbags, donde la presión de ser golpeado en una colisión crea un poco de carga eléctrica que activa la bolsa de aire, y el material creado aquí era completamente nuevo ".
Aaron Holder, un investigador de NREL y profesor asistente en la Universidad de Colorado Boulder, dijo, "Las propiedades de esta nueva aleación podrían llevar a su uso como capa de contacto para células solares, o para futura memoria magnética, transistores de película fina, o dispositivos termoeléctricos. Pero cómo lo hicimos es aún más prometedor:encontrar nuevas rutas para sintetizar materiales que la naturaleza no puede producir catalizaría el progreso hacia tecnologías de próxima generación ".
