Un equipo de investigadores ha observado e informado por primera vez la microestructura única de un nuevo material ferroeléctrico, lo que permite el desarrollo de materiales piezoeléctricos sin plomo para electrónica, sensores y almacenamiento de energía que son más seguros para el uso humano. Este trabajo fue dirigido por el Grupo Alem en Penn State y en colaboración con equipos de investigación de la Universidad de Rutgers y la Universidad de California, Merced.
Los ferroeléctricos son una clase de materiales que muestran una polarización eléctrica espontánea cuando se les aplica una carga eléctrica externa. Esto provoca una polarización eléctrica espontánea cuando las cargas positivas y negativas de los materiales se dirigen a polos diferentes. Estos materiales también tienen propiedades piezoeléctricas, lo que significa que el material genera una carga eléctrica bajo una fuerza mecánica aplicada.
Esto permite que estos materiales generen electricidad a partir de energía como el calor, el movimiento o incluso el ruido que, de otro modo, se desperdiciaría. Por lo tanto, tienen potencial para alternativas a la energía basada en el carbono, como la recolección de energía a partir del calor residual. Además, los materiales ferroeléctricos son especialmente útiles para el almacenamiento y la memoria de datos, ya que pueden permanecer en un estado polarizado sin energía adicional, lo que los hace atractivos para el almacenamiento de datos y la electrónica que ahorran energía. También se utilizan ampliamente en aplicaciones beneficiosas como interruptores, dispositivos médicos importantes como monitores de frecuencia cardíaca y ultrasonidos, almacenamiento de energía y actuadores.
Sin embargo, los materiales piezoeléctricos más fuertes contienen plomo, lo cual es un problema importante dado que el plomo es tóxico para humanos y animales.
«Nos encantaría diseñar un material piezoeléctrico que no tenga las desventajas de los materiales actuales», dijo Nasim Alem, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de Penn State y autor correspondiente del estudio. «Y en este momento, el plomo en todos estos materiales es una gran desventaja porque el plomo es peligroso. Esperamos que nuestro estudio pueda resultar en un candidato adecuado para un mejor sistema piezoeléctrico».
Para desarrollar un camino hacia un material sin plomo con fuertes propiedades piezoeléctricas, el equipo de investigación trabajó con manganato de calcio, Ca3Mn2O7 (CMO). CMO es un nuevo material ferroeléctrico impropio híbrido con algunas propiedades interesantes.
«El principio de diseño de este material es combinar el movimiento del pequeño octaedro de oxígeno del material», dijo Leixin Miao, candidata a doctorado en ciencia de los materiales y primera autora del estudio en Comunicaciones de la naturaleza. «En el material, hay octaedros de átomos de oxígeno que pueden inclinarse y rotar. El término ‘híbrido ferroeléctrico impropio’ significa que combinamos la rotación y la inclinación de los octaedros para producir ferroelectricidad. Se considera un ‘híbrido’ porque es el combinación de dos movimientos del octaedro que genera esa polarización para la ferroelectricidad. Se considera un ferroeléctrico ‘impropio’ ya que la polarización se genera como un efecto secundario».
También hay una característica única de la microestructura de CMO que es un misterio para los investigadores.
«A temperatura ambiente, existen algunas fases polares y no polares que coexisten a temperatura ambiente en el cristal», dijo Miao. «Y se cree que esas fases coexistentes están correlacionadas con un comportamiento de expansión térmica negativa. Es bien sabido que normalmente un material se expande cuando se calienta, pero este se contrae. Eso es interesante, pero sabemos muy poco sobre la estructura, como cómo las fases polar y no polar coexisten».
Para comprender mejor esto, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión a escala atómica.
«La razón por la que usamos la microscopía electrónica es porque con la microscopía electrónica, podemos usar sondas a escala atómica para ver la disposición atómica exacta en la estructura», dijo Miao. «Y fue muy sorprendente observar las nanorregiones polares de doble bicapa en los cristales de CMO. Hasta donde sabemos, es la primera vez que dicha microestructura se refleja directamente en los materiales de perovskita en capas».
Antes, nunca se había observado qué le sucede a un material que pasa por una transición de fase tan ferroeléctrica, según los investigadores. Pero con microscopía electrónica, pudieron monitorear el material y lo que sucedía durante la transición de fase.
«Monitoreamos el material, lo que sucede durante la transición de fase, y pudimos investigar átomo por átomo qué tipo de unión tenemos, qué tipo de distorsiones estructurales tenemos en el material y cómo eso puede cambiar en función de temperatura», dijo Alem. «Y esto explica en gran medida algunas de las observaciones que la gente ha tenido con este material. Por ejemplo, cuando obtienen el coeficiente de expansión térmica, nadie sabe realmente de dónde viene. Básicamente, esto estaba bajando al nivel atómico y comprender la física y la química subyacentes a escala atómica y también la dinámica de la transición de fase, cómo está cambiando».
Esto, a su vez, permitiría el desarrollo de potentes materiales piezoeléctricos sin plomo.
«Los científicos han estado tratando de encontrar nuevos caminos para descubrir materiales ferroeléctricos sin plomo para muchas aplicaciones beneficiosas», dijo Miao. «Se considera que la existencia de las nanorregiones polares beneficia las propiedades piezoeléctricas, y ahora demostramos que a través de la ingeniería de defectos, podemos diseñar nuevos cristales piezoeléctricos fuertes que finalmente reemplazarían todos los materiales que contienen plomo para aplicaciones ultrasónicas o de actuadores».
El trabajo de caracterización que reveló estos procesos nunca antes vistos en el material se llevó a cabo en las instalaciones del Instituto de Investigación de Materiales en el Complejo Científico Milenio. Esto incluyó múltiples experimentos de microscopios electrónicos de transmisión (TEM) que permitieron ver lo nunca antes visto.
Otro beneficio del estudio fue el software gratuito desarrollado por el equipo de investigación, EASY-STEM, que facilita el procesamiento de datos de imágenes TEM. Esto podría acortar potencialmente el tiempo necesario para avanzar en la investigación científica y llevarla a la aplicación práctica.
«El software tiene una interfaz gráfica de usuario que permite a los usuarios ingresar con clics del mouse, por lo que las personas no necesitan ser expertos en codificación, pero aún pueden generar análisis sorprendentes», dijo Miao.
Junto con Miao y Alem, otros autores del estudio incluyen a Parivash Moradifar de Penn State, candidato a doctorado en ese momento, y Ke Wang, científico del personal de MRI. De la Universidad de California, los autores incluyen a Kishwar-E Hasin, estudiante de posgrado en ciencia y simulación de materiales computacionales y Elizabeth A. Nowadnick, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales. Otros autores incluyen del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Debangshu Mukherjee, científico asociado de I+D, y de la Universidad de Rutgers, Sang-Wook Cheong, profesor distinguido, Profesor Henry Rutgers, Profesor de la Junta de Gobernadores y director del Centro de Síntesis de Materiales Cuánticos.
El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
