Sang-Hoon Bae, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha abordado este desafío de larga data en la implementación de materiales ferroeléctricos para aplicaciones de almacenamiento de energía.

En un estudio publicado el 18 de abril en Science , Bae y sus colaboradores, incluido Rohan Mishra, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, y Chuan Wang, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas, ambos en WashU, y Frances Ross, profesora TDK de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. introdujo un enfoque para controlar el tiempo de relajación (una propiedad interna del material que describe cuánto tiempo tarda la carga en disiparse o desintegrarse) de los condensadores ferroeléctricos que utilizan materiales 2D.

En colaboración con Bae, el estudiante de doctorado Justin S. Kim y el investigador postdoctoral Sangmoon Han desarrollaron novedosas heteroestructuras 2D/3D/2D que pueden minimizar la pérdida de energía y al mismo tiempo preservar las ventajosas propiedades de los materiales 3D ferroeléctricos.

Su enfoque intercala materiales 2D y 3D en capas atómicamente delgadas con enlaces químicos y no químicos cuidadosamente diseñados entre cada capa. Se inserta un núcleo 3D muy delgado entre dos capas 2D exteriores para crear una pila de sólo unos 30 nanómetros de espesor. Eso es aproximadamente una décima parte del tamaño de una partícula de virus promedio.

"Creamos una nueva estructura basada en las innovaciones que ya hemos realizado en mi laboratorio con materiales 2D", dijo Bae. "Al principio, no nos centrábamos en el almacenamiento de energía, pero durante nuestra exploración de las propiedades de los materiales, encontramos un nuevo fenómeno físico que nos dimos cuenta de que podía aplicarse al almacenamiento de energía, y que era muy interesante y potencialmente mucho más útil". /P>

Las heteroestructuras 2D/3D/2D están finamente diseñadas para ubicarse en el punto óptimo entre la conductividad y la no conductividad, donde los materiales semiconductores tienen propiedades eléctricas óptimas para el almacenamiento de energía. Con este diseño, Bae y sus colaboradores obtuvieron una densidad de energía hasta 19 veces mayor que la de los condensadores ferroeléctricos disponibles comercialmente y lograron una eficiencia superior al 90%, lo que tampoco tiene precedentes.

"Descubrimos que el tiempo de relajación dieléctrica puede modularse o inducirse mediante un espacio muy pequeño en la estructura del material", explicó Bae. "Ese nuevo fenómeno físico es algo que no habíamos visto antes. Nos permite manipular material dieléctrico de tal manera que no se polarice ni pierda capacidad de carga".

Mientras el mundo se enfrenta al imperativo de la transición hacia componentes electrónicos de próxima generación, el novedoso material de heteroestructura de Bae allana el camino para dispositivos electrónicos de alto rendimiento, que abarcan electrónica de alta potencia, sistemas de comunicación inalámbrica de alta frecuencia y chips de circuitos integrados. Estos avances son particularmente cruciales en sectores que requieren soluciones sólidas de administración de energía, como los vehículos eléctricos y el desarrollo de infraestructura.

"Básicamente, esta estructura que hemos desarrollado es un material electrónico novedoso", afirmó Bae.

"Aún no somos 100% óptimos, pero ya estamos superando lo que otros laboratorios están haciendo. Nuestros próximos pasos serán mejorar aún más la estructura de este material, para que podamos satisfacer la necesidad de carga y descarga ultrarrápidas y energía muy alta. "Debemos poder hacerlo sin perder capacidad de almacenamiento por cargas repetidas para que este material se utilice ampliamente en productos electrónicos de gran tamaño, como vehículos eléctricos y otras tecnologías verdes en desarrollo".