El nitruro de galio (GaN) y el óxido de zinc (ZnO) se encuentran entre los materiales semiconductores de mayor relevancia tecnológica. El nitruro de galio es omnipresente hoy en día en elementos optoelectrónicos como los láseres azules (de ahí el disco de rayos azules) y los diodos emisores de luz (LED); El óxido de zinc también encuentra muchos usos en optoelectrónica y sensores.

En los años pasados, aunque, nanoestructuras hechas de estos materiales han mostrado una plétora de funcionalidades potenciales, que van desde láseres y LED de un solo nanocable hasta dispositivos más complejos, como resonadores y, más recientemente, nanogeneradores que convierten la energía mecánica del medio ambiente (movimientos corporales, por ejemplo) para alimentar dispositivos electrónicos. La última aplicación se basa en el hecho de que GaN y ZnO también son materiales piezoeléctricos, lo que significa que producen cargas eléctricas a medida que se deforman.

En un artículo publicado en línea en la revista Nano letras , Horacio Espinosa, el profesor James N. y Nancy J. Farley de Fabricación y Emprendimiento en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de la Universidad Northwestern, y Ravi Agrawal, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Espinosa, informaron que la piezoelectricidad en los nanocables de GaN y ZnO de hecho aumenta hasta dos órdenes de magnitud a medida que disminuye el diámetro de los nanocables.

"Este hallazgo es muy emocionante porque sugiere que la construcción de nanogeneradores, Los sensores y otros dispositivos de nanocables más pequeños mejorarán en gran medida su salida y sensibilidad, "Dijo Espinosa.

"Usamos un método computacional llamado Teoría Funcional de la Densidad (DFT) para modelar nanocables de GaN y ZnO de diámetros que van desde 0,6 nanómetros a 2,4 nanómetros, "Dijo Agrawal. El método computacional es capaz de predecir la distribución electrónica de los nanocables a medida que se deforman y, por lo tanto, permite calcular sus coeficientes piezoeléctricos.

Los resultados de los investigadores muestran que el coeficiente piezoeléctrico en nanocables de 2,4 nanómetros de diámetro es unas 20 veces más grande y unas 100 veces más grande para los nanocables de ZnO y GaN. respectivamente, en comparación con el coeficiente de los materiales en la macroescala. Esto confirma los hallazgos computacionales previos sobre nanoestructuras de ZnO que mostraron un aumento similar en las propiedades piezoeléctricas. Sin embargo, En este trabajo se realizaron por primera vez cálculos de piezoelectricidad de nanocables de GaN en función del tamaño, y los resultados son claramente más prometedores, ya que GaN muestra un aumento más destacado.

"Nuestros cálculos revelan que el aumento del coeficiente piezoeléctrico es el resultado de la redistribución de electrones en la superficie del nanoalambre, lo que conduce a un aumento de la polarización dependiente de la deformación con respecto a los materiales a granel, "Dijo Espinosa.

Los hallazgos de Espinosa y Agrawal pueden tener implicaciones importantes para el campo de la recolección de energía, así como para la ciencia fundamental. Para la recolección de energía, donde se utilizan elementos piezoeléctricos para convertir energía mecánica en eléctrica para alimentar dispositivos electrónicos, estos resultados apuntan a una ventaja en la reducción del tamaño de los elementos piezoeléctricos hasta la escala nanométrica. Los dispositivos de recolección de energía construidos a partir de nanocables de diámetro pequeño deberían, en principio, poder producir más energía eléctrica a partir de la misma cantidad de energía mecánica que sus contrapartes a granel.

En términos de ciencia fundamental, Estos resultados amplían las conclusiones previas de que la materia a nanoescala tiene propiedades diferentes. Ahora está claro que al adaptar el tamaño de las nanoestructuras, su mecánica, También se pueden ajustar las propiedades eléctricas y térmicas.

"Nuestro enfoque sigue siendo comprender los principios fundamentales que rigen el comportamiento de las nanoestructuras en función de su tamaño, "Espinosa y Agrawal dicen." Uno de los temas más importantes que debe abordarse es obtener la confirmación experimental de estos resultados, y establecer hasta qué tamaño los efectos piezoeléctricos gigantes siguen siendo significativos ".

Espinosa y Agrawal esperan que su trabajo estimule un nuevo interés en las propiedades electromecánicas de las nanoestructuras, tanto desde el punto de vista teórico como experimental, con el fin de despejar el camino para el diseño y optimización de futuros dispositivos a nanoescala.