Impresión mecánica de átomos en cerámica

01.06.2021 - Alemania

Los electrocerámicos, como los condensadores, son componentes esenciales en los dispositivos electrónicos. Intervenir en su estructura cristalina puede modificar propiedades específicas. Así, por ejemplo, se pueden utilizar métodos químicos para sustituir átomos individuales de la red cristalina por otros. Se puede crear una forma estable sustituyendo toda una serie de átomos en lugar de uno solo. Un equipo internacional de investigadores bajo la dirección de la Universidad Técnica de Darmstadt ha conseguido por primera vez insertar una dislocación en una Cerámica ferroeléctrica imprimiendo mecánicamente los átomos del material, un procedimiento que hasta ahora sólo se había utilizado en metales.

El mercado mundial de la electrocerámica ronda los 25.000 millones de euros al año. Estos pequeñísimos componentes a menudo ni siquiera se perciben en la vida cotidiana. Sólo un smartphone contiene 600 condensadores, de los que se fabrican 3 billones -es decir, 3.000.000 millones- cada año. El funcionamiento de muchas electrocerámicas no se basa en el flujo de corriente a través del material, sino en pequeñas dislocaciones de carga, llamadas polarización, en fracciones de un diámetro atómico. Aproximadamente una cuarta parte de las electrocerámicas producidas en el mundo vinculan esta polarización a una extensión del material, que a su vez puede ajustarse con la precisión de un diámetro atómico. Sólo así se podrán estructurar componentes informáticos y microrobots cada vez más pequeños.

Sustitución de series atómicas en el átomo

Las propiedades de la electrocerámica pueden mejorarse mediante intervenciones químicas para sustituir átomos individuales en la red cristalina de forma regular por otros (endowing) - un poco como sentar a un solo aficionado del Borussia Dortmund con una camiseta negra y amarilla en un cine lleno de aficionados del FC Bayern de Múnich con camisetas rojas. Sin embargo, cuando hay requisitos especiales, como una mayor temperatura o tensión eléctrica, el átomo dotado perdería su lugar (el ventilador sería empujado), en detrimento de la función de la cerámica.

La instalación de átomos individuales en una red cristalina de cerámica no es lo suficientemente estable para requisitos complejos, pero la instalación de series atómicas completas (desplazamiento) es robusta. En el ejemplo del fútbol, esto correspondería a tener una fila de hinchas del Borussia entre los del Bayern. Científicos de materiales de tres grupos de trabajo de la TU Darmstadt cooperan con grupos de investigación de Suiza, los Países Bajos y los Estados Unidos en la investigación de estos desplazamientos.

Nuevos átomos, nuevas propiedades

"Los métodos químicos ya no son suficientes para los desplazamientos previstos", explica el profesor Jürgen Rödel, jefe del grupo de investigación de Materiales Inorgánicos No Metálicos de la TU Darmstadt. En su lugar, los investigadores consiguieron realizar el desplazamiento de forma mecánica. Utilizaron un proceso en el que las cerámicas se deforman mecánicamente bajo condiciones controladas de presión y temperatura para que el desplazamiento quede impreso en la cerámica. Un método como éste es trivial en el caso de los metales, pero hasta ahora se consideraba imposible en el caso de la cerámica debido a su enorme dureza. Además, la superficie de la cerámica es extremadamente frágil y puede romperse fácilmente. Para superar estos obstáculos, los científicos llevaron a cabo una impresión mecánica a 1.150 grados Celsius en un solo cristal de la orientación optimizada previamente calculada.

Este método permite ahora obtener un campo bien ordenado de nuevas filas atómicas ocupadas. Estas series controlan la polarización local, la dislocación de carga, en el material. Como las series impresas limitan claramente la polarización, no puede perder la estructura ni siquiera en condiciones de funcionamiento muy elevadas. En el funcionamiento de la electrocerámica, las zonas del material ahora delimitadas por las series (desplazamientos) asumen ciertos desplazamientos de carga; siguiendo con la analogía del fútbol, es como si los hinchas del Bayern se inclinaran hacia delante o hacia un lado en secciones. Como estas zonas del material no cambian en condiciones elevadas, no se convierte energía por fricción interna y el comportamiento del material permanece estable.

Estos materiales permiten ahora garantizar unas propiedades constantes incluso a temperaturas elevadas y con un mayor uso de energía. Al mismo tiempo, los investigadores están abordando la reducción de costes necesaria para proporcionar los desplazamientos mediante varias opciones de impresión mecánica.

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Publicación original

M. Höfling, X. Zhou, E. Bruder, B. Liu, L. Zhou, P.B. Groscewicz, F. Zhuz, L. Riemer, B.-X. Xu, K. Durst, D. Damjanovic, X. Tan, J. Koruza and J. Rödel; "Control of polarization in bulk ferroelectrics by mechanical dislocation imprint"; Science; 2021; Vol. 372, Issue 6545, pp. 961-964.

https://www.quimica.es/noticias/1171286/impresion-mecanica-de-atomos-en-ceramica.html