Cerámica que explota y llora
Los investigadores descubren un camino hacia un material cerámico que cambia de forma
Desde las tazas de café hasta los azulejos del baño, la Cerámica es frágil. A la menor deformación, se rompen. En el otro extremo del espectro de materiales, algunos de los más deformables que se conocen -que además soportan grandes tensiones mientras se deforman- son las aleaciones con memoria de forma. El origen de este comportamiento de cambio de forma es una transformación de fase de sólido a sólido. Las aleaciones con memoria de forma dependen de esta enorme deformabilidad cuando funcionan como stents médicos, la columna vertebral de una vibrante industria de dispositivos médicos tanto en el área de las Ciudades Gemelas de Minneapolis-Saint Paul (Estados Unidos) como en Alemania.
Al enfriarse, las cerámicas con memoria de forma basadas en ZrO2 sufren una transformación de fase, pasando de una estructura cristalina tetragonal a una monoclínica. Arriba (a): Aunque la composición del material predice una alta compatibilidad, la cerámica se desintegra en sus granos. En la cerámica del ejemplo inferior (b), que satisface la llamada condición de equidistancia, el cristal resiste la transformación (la línea discontinua muestra la ubicación de la transición de fase).
© Jascha Rohmer
En una investigación publicada en acceso abierto el 17 de noviembre de 2021 en Nature, Eckhard Quandt y Lorenz Kienle, de la Universidad de Kiel (CAU), Andriy Lotnyk, del Instituto Leibniz de Ingeniería de Superficies (IOM) (todos ellos de Alemania), Richard James, de la Universidad de Minnesota (UMN), de EE.UU., y sus estudiantes describen una vía para producir una cerámica con memoria de forma reversible.
El camino no fue nada sencillo para sus estudiantes de posgrado Jascha Romer, Hanlin Gu y Justin Jetter. Primero probaron una receta que ha sido productiva para el descubrimiento de nuevos materiales metálicos con memoria de forma. Se trata de un delicado ajuste de las distancias entre los átomos mediante cambios de composición, para que las dos fases encajen bien. Pusieron en práctica esta receta, pero, en lugar de mejorar la deformabilidad de la cerámica, observaron que algunas muestras explotaban al pasar por la transformación de fase. Otras se deshacían poco a poco en un montón de polvo, un fenómeno que denominaron "llanto".
Con otra composición, observaron una transformación reversible, que se transformaba fácilmente entre las fases, como un material con memoria de forma. Las condiciones matemáticas en las que se produce la transformación reversible pueden aplicarse ampliamente y proporcionan un camino hacia la paradójica cerámica con memoria de forma.
Con esta vía abierta, ¿qué se puede hacer con una cerámica con memoria de forma? Según James, "sería un tipo de material funcional completamente nuevo. Hay una gran necesidad de actuadores con memoria de forma que puedan funcionar a altas temperaturas o en entornos corrosivos. Pero lo que más nos entusiasma es la perspectiva de nuevas cerámicas ferroeléctricas. En estos materiales se puede aprovechar la transformación de fase para generar electricidad a partir de pequeñas diferencias de temperatura".
El equipo de Alemania se encargó de la parte experimental y de la investigación química y estructural a nanoescala. "La colaboración con el grupo de Richard James fue muy valiosa para explicar nuestro descubrimiento experimental: Su teoría describe el comportamiento inesperado de las cerámicas extremadamente incompatibles y también muestra cómo obtener cerámicas con memoria de forma compatibles",.dice Eckhard Quandt.
"Nuestra colaboración con el grupo de Eckhard Quandt ha sido tremendamente productiva", añade James. "Como en todas las colaboraciones de este tipo, hay suficiente solapamiento como para que nos comuniquemos bien, pero cada grupo aporta un montón de ideas y técnicas que amplían nuestra capacidad colectiva de descubrimiento".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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