Los átomos en un material hecho por humanos, óxido de hierro de bismuto (BiFeO3, o BFO), compuesto de bismuto (bolas azules), el hierro (bolas rojas) y el oxígeno (bolas verdes) se pueden mover hacia adelante y hacia atrás entre un romboédrico en forma de cubo (R) y un prisma rectangular o una disposición tetragonal (T) aplicando un voltaje eléctrico local. Los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza atómica para inducir y detectar este cambio estructural en volúmenes microscópicos midiendo un cambio en la rigidez del material. Es decir, el material se vuelve más blando cuando se estira desde la estructura romboédrica hasta la tetragonal. Controlar la rigidez de los materiales es importante para su función en dispositivos como micrófonos, actuadores, interruptores y sensores. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Usando una aguja mucho más delgada que un cabello humano, Los científicos revelaron cómo controlar la rigidez mecánica en un material prometedor. El equipo aplicó un campo eléctrico con una aguja de tamaño nanométrico para provocar un cambio reversible en la disposición de los átomos en el material. Este cambio es una transición de fase. El equipo reconfiguró el microscopio de fuerza atómica que usaron para medir el cambio resultante en las propiedades mecánicas del material, con un cambio de hasta el 30 por ciento.
La capacidad de controlar y medir las propiedades mecánicas podría conducir a materiales prometedores para acústica avanzada (por ejemplo, micrófonos) y dispositivos de microondas. También, los científicos podrían utilizar esta nueva técnica para revelar nuevas reglas físicas para las transiciones en la estructura atómica de un material. Los científicos podrían aplicar estas reglas para identificar nuevos materiales para actuadores, interruptores sensores de campo magnético, y memoria de computadora.
Cuando un material sufre un cambio de fase, su estructura atómica se reorienta, y se pueden alterar muchas propiedades fundamentales del material, incluida la rigidez mecánica. Esto significa que el material puede volverse más duro o más blando, lo cual es una consideración importante para aplicaciones que utilizan vibraciones de materiales como sensores u otros materiales electrónicos. Tradicionalmente, los científicos han estudiado los cambios de fase y las propiedades mecánicas con la dispersión de neutrones y las pruebas mecánicas; Desafortunadamente, estas técnicas no pueden medir las respuestas de estos materiales a nanoescala. Por último, Es necesario comprender la microestructura a nanoescala y la funcionalidad resultante para explicar y mejorar el rendimiento del dispositivo.
Investigadores dirigidos por el Laboratorio Nacional Oak Ridge han utilizado una técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM) para revelar cambios inducidos por voltaje en la rigidez del material en uno de los materiales multifuncionales más estudiados:el óxido de hierro y bismuto (BiFeO3). El uso de una técnica de AFM multifrecuencia permite la aplicación de un voltaje en escalas de longitud nanométrica y encontró una transición de fase como origen del cambio en la rigidez del material. Bajo un voltaje aplicado, Se encontró una sintonización de rigidez gigante. Es decir, la rigidez del material cambió reversiblemente más del 30 por ciento, un cambio bastante dramático para estos materiales. El acoplamiento con el modelado permitió una comprensión más detallada del fenómeno observado cuando el material se vuelve más blando bajo un voltaje aplicado. Este descubrimiento y comprensión detallada de los procesos en una escala de longitud nanométrica podría tener aplicaciones en dispositivos avanzados, desde micrófonos de alto rendimiento hasta nuevos tipos de memoria electrónica, así como nuevas técnicas de imagen para sondear la física relacionada con las transiciones de materiales.
