Memoria de forma para objetos nanométricos
Por primera vez se fabrican objetos con memoria de forma tan finos como veinte nanómetros: Amplia gama de aplicaciones
Investigadores de la ETH de Zúrich consiguen por primera vez un efecto de memoria de forma con objetos de unos pocos nanómetros. Esto puede servir para fabricar maquinaria diminuta y dispositivos robóticos a nanoescala.
Por primera vez, investigadores de la ETH de Zúrich han fabricado objetos con memoria de forma de sólo veinte nanómetros de grosor.
ETH Zürich / Minsoo Kim
Las aleaciones que pueden volver a su estructura original tras ser deformadas tienen la llamada memoria de forma. Este fenómeno y las fuerzas resultantes se utilizan en muchos sistemas de accionamiento mecánico, por ejemplo en generadores o bombas hidráulicas. Sin embargo, no ha sido posible utilizar este efecto de memoria de forma a pequeña nanoescala: Los objetos fabricados con una aleación con memoria de forma sólo pueden recuperar su forma original si son mayores de unos 50 nanómetros.
Unos investigadores dirigidos por Salvador Pané, catedrático de Materiales de Robótica de la ETH de Zúrich, y Xiang-Zhong Chen, científico titular de su grupo, lograron sortear esta limitación utilizando materiales cerámicos. En un estudio, publicado en la revista Nature Communications, demuestran el efecto de memoria de forma en una capa de unos veinte nanómetros de grosor hecha de unos materiales llamados óxidos ferrosos. Este logro permite ahora aplicar el efecto de memoria de forma a diminutas máquinas a nanoescala.
Se necesita una estructura especial
A primera vista, los óxidos ferrosos no parecen muy adecuados para el efecto de memoria de forma: Son quebradizos a gran escala y, para producir capas muy finas, suelen tener que fijarse a un sustrato, lo que los hace inflexibles. Para poder inducir el efecto de memoria de forma, los investigadores utilizaron dos óxidos distintos, titanato de bario y ferrita de cobalto, de los que aplicaron temporalmente finas capas sobre un sustrato de óxido de magnesio. Los parámetros de red de los dos óxidos difieren significativamente entre sí. Una vez que los investigadores separaron la tira de dos capas del sustrato de soporte, la tensión entre los dos óxidos generó una estructura retorcida en forma de espiral.
Estas estructuras a nanoescala de óxidos ferrosos son muy elásticas y resistentes y permiten movimientos flexibles. Además, muestran un efecto de memoria de forma: Cuando los investigadores aplicaron una fuerza mecánica de tracción a la estructura, ésta se estiró y se deformó permanentemente. Posteriormente, los científicos dirigieron un haz de electrones de un microscopio electrónico de barrido sobre la estructura deformada, que recuperó su forma original. La energía eléctrica desencadenó así un efecto de memoria de forma. El grosor de la capa, de unos veinte nanómetros, es el tamaño de muestra más pequeño en el que se ha observado un efecto de este tipo.
En otros ejemplos, el efecto de memoria de forma suele desencadenarse por manipulación térmica o magnética. "Sospechamos que la razón por la que funciona con irradiación eléctrica en óxidos ferrosos puede tener que ver con la orientación de la polarización dentro de los óxidos", afirma Chen. Mientras se estira la estructura independiente, la polarización dentro de los óxidos se alinea paralela al plano de la estructura. El haz de electrones, sin embargo, hace que la polarización se alinee perpendicularmente al plano de la estructura, provocando el cambio de la tensión mecánica y la contracción a su forma original.
Amplia gama de aplicaciones
Esta respuesta a la energía eléctrica es más adecuada para una amplia gama de aplicaciones, ya que las manipulaciones puntuales de la temperatura (utilizadas convencionalmente para inducir la memoria de forma) no son posibles a nanoescala. Un ejemplo de aplicación: Gracias a su gran elasticidad, los óxidos podrían sustituir fibras musculares o partes de la columna vertebral. "Otras aplicaciones serían nuevos sistemas robóticos a nanoescala: El movimiento mecánico que se produce al pasar de una estructura a otra podría utilizarse para accionar motores diminutos", explica Donghoon Kim. Kim trabajó como estudiante de doctorado en este estudio y es uno de sus dos autores principales. "Además, nuestro método también podría facilitar el desarrollo de máquinas a pequeña escala más duraderas, porque el material no sólo es elástico, sino también resistente", afirma Minsoo Kim, postdoctorando y también autor principal.
El abanico de aplicaciones puede ampliarse incluso a la electrónica flexible y los sistemas robóticos blandos". En otro estudio, que los investigadores acaban de publicar en la revista Advanced Materials Technologies, lograron desarrollar aún más estas estructuras de óxido libres para poder controlar y ajustar con mayor precisión sus propiedades magnetoeléctricas. Estos óxidos con memoria de forma podrían utilizarse, entre otras cosas, para fabricar nanorobots que se implantan en el cuerpo y pueden estimular células o reparar tejidos. Mediante campos magnéticos externos, los nanorobots pueden transformarse en otras formas y realizar funciones específicas dentro del cuerpo humano.
"Además, las propiedades magnetoeléctricas de estas estructuras de óxido con memoria de forma podrían utilizarse, entre otras cosas, para estimular eléctricamente células del organismo, por ejemplo para activar células neuronales en el cerebro, para terapias cardíacas o para acelerar el proceso de curación de huesos", explica Pané. Por último, los óxidos magnetoeléctricos con memoria de forma podrían utilizarse en dispositivos a nanoescala, como antenas o sensores diminutos.
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.
Publicación original
Kim D, Kim M, Reidt S, Han H, Baghizadeh A, Zeng P, Choi H, Puigmartí-Luis J, Trassin M, Nelson BJ, Chen XZ, Pané S: Shape-Memory Effect in Twisted Ferroic Nanocomposites. Nature Communications, 10. Februar 2023
Kim M, Kim D, Aktas B, Choi H, Puigmartí-Luis J, Nelson BJ, Pané S, Chen XZ: Strain-Sensitive Flexible Magnetoelectric Ceramic Nanocomposites. Advanced Materials Technologies, 28. Februar 2023
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