Encender una parrilla de gas, hacerse un ultrasonido, usar un cepillo de dientes ultrasónico:estas acciones implican el uso de materiales que pueden traducir un voltaje eléctrico en un cambio de forma y viceversa.
Conocida como piezoelectricidad, la capacidad de intercambiar entre tensión mecánica y carga eléctrica se puede aprovechar ampliamente en condensadores, actuadores, transductores y sensores como acelerómetros y giroscopios para la electrónica de próxima generación. Sin embargo, integrar estos materiales en sistemas miniaturizados ha sido difícil debido a la tendencia de los materiales electromecánicamente activos a (en la escala submicrométrica, cuando el espesor es de sólo unas pocas millonésimas de pulgada) quedar "sujetados" por el material al que están unidos. , lo que reduce significativamente su rendimiento.
Investigadores de la Universidad Rice y colaboradores de la Universidad de California en Berkeley han descubierto que una clase de materiales electromecánicamente activos llamados antiferroeléctricos puede ser la clave para superar las limitaciones de rendimiento debidas a la sujeción en sistemas electromecánicos miniaturizados.
Un nuevo estudio publicado en Nature Materials informa que un sistema antiferroeléctrico modelo, circonato de plomo (PbZrO3 ), produce una respuesta electromecánica que puede ser hasta cinco veces mayor que la de los materiales piezoeléctricos convencionales, incluso en películas de sólo 100 nanómetros (o 4 millonésimas de pulgada) de espesor.
"Hemos estado utilizando materiales piezoeléctricos durante décadas", dijo el científico de materiales de Rice, Lane Martin, autor correspondiente del estudio. "Recientemente ha habido una fuerte motivación para integrar aún más estos materiales en nuevos tipos de dispositivos que son muy pequeños, como lo haría, por ejemplo, con un microchip que se coloca dentro de su teléfono o computadora. El problema es que estos materiales son normalmente es menos utilizable en estas pequeñas escalas."
Según los estándares actuales de la industria, se considera que un material tiene muy buen rendimiento electromecánico si puede sufrir un cambio de forma (o deformación) del 1% en respuesta a un campo eléctrico. Para un objeto que mide 100 pulgadas de largo, por ejemplo, alargarlo o acortarlo 1 pulgada representa un 1% de tensión.
"Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, esta es una respuesta significativa, ya que la mayoría de los materiales duros sólo pueden cambiar en una fracción de un porcentaje", dijo Martin, profesor Robert A. Welch, profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería y director del Rice Advanced. Instituto de Materiales.
Cuando los materiales piezoeléctricos convencionales se reducen a sistemas de menos de un micrómetro (1000 nanómetros), su rendimiento generalmente se deteriora significativamente debido a la interferencia del sustrato, lo que reduce su capacidad de cambiar de forma en respuesta al campo eléctrico o, por el contrario, a generar voltaje en respuesta a un cambio de forma.
Según Martin, si el rendimiento electromecánico se calificara en una escala del 1 al 10 (donde 1 es el rendimiento más bajo y 10 es el estándar de la industria de 1% de tensión), entonces normalmente se espera que la sujeción reduzca la respuesta electromecánica de los piezoeléctricos convencionales de 10 a 10. el rango 1-4.
"Para comprender cómo la sujeción afecta el movimiento, primero imagínese estar en el asiento central de un avión sin nadie a cada lado; podrá ajustar su posición si se siente incómodo, se sobrecalienta, etc.", dijo Martin. "Ahora imagina el mismo escenario, excepto que ahora estás sentado entre dos enormes linieros ofensivos del equipo de fútbol de Rice. Estarías 'atrapado' entre ellos de tal manera que realmente no podrías ajustar significativamente tu posición en respuesta a un estímulo".
Los investigadores querían comprender cómo las películas muy delgadas de antiferroeléctricos, una clase de materiales que no se habían estudiado hasta hace poco debido a la falta de acceso a versiones "modelos" de los materiales y a su compleja estructura y propiedades, cambiaban su forma en respuesta al voltaje. y si también eran susceptibles al pinzamiento.
Primero, desarrollaron películas delgadas del material antiferroeléctrico modelo PbZrO3. con un control muy cuidadoso del espesor, calidad y orientación del material. A continuación, realizaron una serie de mediciones eléctricas y electromecánicas para cuantificar las respuestas de las películas delgadas al voltaje eléctrico aplicado.
"Descubrimos que la respuesta era considerablemente mayor en las películas delgadas de material antiferroeléctrico que la que se logra en geometrías similares de materiales tradicionales", afirmó Hao Pan, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Martin y autor principal del estudio.
Medir el cambio de forma a escalas tan pequeñas no fue tarea fácil. De hecho, optimizar la configuración de medición requirió tanta mano de obra que los investigadores documentaron el proceso en una publicación separada.
"Con la configuración de medición perfeccionada, podemos obtener una resolución de dos picómetros, es decir, aproximadamente una milésima de nanómetro", dijo Pan. "Pero simplemente mostrar que ocurrió un cambio de forma no significa que entendamos lo que está sucediendo, por lo que tuvimos que explicarlo. Este fue uno de los primeros estudios que reveló los mecanismos detrás de este alto rendimiento".
Con el apoyo de sus colaboradores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de última generación para observar el cambio de forma del material a nanoescala con resolución atómica en tiempo real.
"En otras palabras, observamos la actuación electromecánica mientras ocurría, de modo que pudimos ver el mecanismo de los grandes cambios de forma", dijo Martin. "Lo que encontramos fue que hay un cambio inducido por el voltaje eléctrico en la estructura cristalina del material, que es como la unidad de construcción fundamental o el tipo único de bloque de Lego a partir del cual se construye el material. En este caso, ese bloque de Lego obtiene estirado reversiblemente con voltaje eléctrico aplicado, dándonos una gran respuesta electromecánica."
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que la sujeción no sólo no interfiere con el rendimiento del material, sino que de hecho lo mejora. Junto con colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Dartmouth College, recrearon el material computacionalmente para obtener otra visión de cómo la sujeción afecta la actuación bajo voltaje eléctrico aplicado.
"Nuestros resultados son la culminación de años de trabajo en materiales relacionados, incluido el desarrollo de nuevas técnicas para probarlos", dijo Martin. "Al descubrir cómo hacer que estos materiales delgados funcionen mejor, esperamos permitir el desarrollo de dispositivos electromecánicos o sistemas microelectromecánicos (MEMS) más pequeños y potentes, e incluso sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), que utilicen menos energía y puedan hacer cosas que nunca antes creímos posibles."
