Material bifásico con propiedades sorprendentes
La microestructura y las propiedades electromecánicas macroscópicas están estrechamente acopladas en los llamados polímeros ferroeléctricos. En la Universidad Técnica de Viena se ha encontrado una explicación para la dependencia de este acoplamiento de la alta temperatura.
Estructuras poliméricas microscópicas
Technische Universität Wien
En ciertos materiales, los efectos eléctricos y mecánicos están estrechamente vinculados: por ejemplo, el material puede cambiar su forma cuando se aplica un campo eléctrico o, a la inversa, se puede crear un campo eléctrico cuando el material se deforma. Estos materiales electromecánicamente activos son muy importantes para muchas aplicaciones técnicas.
Normalmente, estos materiales son cristales inorgánicos especiales, que son duros y frágiles. Por esta razón, ahora se utilizan los llamados polímeros ferroeléctricos. Se caracterizan por el hecho de que sus cadenas poliméricas existen simultáneamente en dos microestructuras diferentes: algunas zonas están fuertemente ordenadas (cristalinas), mientras que en medio se forman zonas desordenadas (amorfas). Estos compuestos semicristalinos son electromecánicamente activos y, por tanto, combinan efectos eléctricos y mecánicos, pero al mismo tiempo son también flexibles y blandos. En la Universidad Técnica de Viena se han estudiado en detalle estos materiales, con resultados sorprendentes: a partir de cierta temperatura, las propiedades cambian drásticamente. Un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena, en colaboración con grupos de investigación de Madrid y Londres, ha logrado explicar por qué ocurre esto.
De los microsensores a los tejidos inteligentes
"Si se puede controlar el comportamiento mecánico de un material con la ayuda de campos eléctricos, se puede utilizar para construir sensores diminutos, por ejemplo", afirma el profesor Ulrich Schmid, del Instituto de Sistemas de Sensores y Actuadores de la Universidad de Viena. "Esto también es interesante para los microscopios de fuerza atómica, en los que se pone una punta diminuta en vibración para escanear una superficie y generar una imagen".
El campo de aplicación de estos materiales puede ampliarse drásticamente si es posible inducir estas propiedades electromecánicas no sólo en materiales rígidos, sino también en materiales flexibles y blandos. Por un lado, los materiales flexibles tienen un comportamiento de vibración completamente diferente, que puede aprovecharse en la construcción de sensores diminutos. Por otro lado, estos materiales también abren posibilidades completamente nuevas, como los tejidos inteligentes, el almacenamiento de energía flexible o la recolección de energía integrada.
"Los sólidos pueden ser cristalinos, en cuyo caso los átomos se disponen en una red regular, o pueden ser amorfos, en cuyo caso los átomos individuales se distribuyen al azar", explica Jonas Hafner, que trabaja en este proyecto de investigación como parte de su tesis. "Lo especial del material que estudiamos es que puede ser ambas cosas a la vez: Forma regiones cristalinas, y en medio el material es amorfo".
Los cristales son los responsables de las propiedades electromecánicas del material, la matriz amorfa mantiene unidos los diminutos cristales, creando en conjunto un material muy suave y flexible.
Demasiado calor
Para poder seguir desarrollando y mejorando este tipo de materiales, el equipo de investigación investigó primero sus propiedades físicas básicas. Durante sus investigaciones, se encontraron con un fenómeno sorprendente: los polímeros ferroeléctricos, que consisten en una combinación de zonas cristalinas y amorfas, cambian su composición microscópica a una determinada temperatura, lo que tiene efectos sorprendentes en el comportamiento electromecánico macroscópico.
Normalmente, las propiedades electromecánicas de un material sólo desaparecen cuando una temperatura muy elevada provoca oscilaciones tan grandes a nivel atómico que el orden eléctrico del material desaparece por completo. Esta temperatura crítica se denomina "temperatura de Curie". Pero en el caso del material que ahora se estudia, las cosas son más complicadas: "En nuestro caso, las propiedades electromecánicas de los diminutos cristales permanecen. Microscópicamente, los cristales siguen siendo electroactivos, pero a nivel macroscópico, este comportamiento electroactivo desaparece", afirma Jonas Hafner.
Pérdida de contacto entre los granos de cristal
El equipo pudo explicar cómo se produce este efecto: A medida que aumenta la temperatura, la proporción de áreas amorfas del polímero se incrementa, y en un determinado momento los diminutos cristales pierden el contacto directo entre sí. Esto significa que las fuerzas mecánicas ya no pueden transferirse de uno de los diminutos cristales al siguiente, porque todos están completamente inmersos en una matriz amorfa amortiguadora. Esto cambia radicalmente el comportamiento mecánico y electromecánico del material.
"Sólo si comprendemos estos efectos fundamentales podremos explicar cómo se correlacionan las propiedades microscópicas y macroscópicas en estos materiales", afirma Ulrich Schmid. "Trabajamos con numerosos socios de proyectos que utilizan estos materiales en microscopios de fuerza atómica, sensores y chips. Hay numerosas aplicaciones potenciales para esta apasionante fase de los materiales".
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Publicación original
J. Hafner et al.; "Multi-scale characterisation of a ferroelectric polymer reveals the emergence of a morphological phase transition driven by temperature"; Nature Communications; volume 12, 152 (2021).
J. Hafner et al.; "Large bias-induced piezoelectric response in the ferroelectric polymer P(VDF-TrFE) for MEMS resonators"; Mater. Res. Lett.; 2021, 9, 4, 195–203.
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