Una forma en que el calor daña los equipos electrónicos es que hace que los componentes se expandan a diferentes velocidades, lo que genera fuerzas que causan microgrietas y distorsiones. Los componentes de plástico y las placas de circuitos son particularmente propensos a daños debido a cambios en el volumen durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento.Pero si se pudiera incorporar un material a los componentes que compensa la expansión, las tensiones se reducirían y su vida útil aumentaría.
Todos conocen un material que se comporta así: el agua líquida se expande cuando se congela y el hielo se contrae cuando se derrite. Pero el agua líquida y la electrónica no se mezclan bien; en cambio, lo que se necesita es un sólido con "expansión térmica negativa" NTE.
Aunque tales materiales se conocen desde la década de 1960, se tuvieron que superar varios desafíos antes de que el concepto fuera ampliamente útil y comercialmente viable. En términos de materiales y función, estos esfuerzos solo han tenido un éxito limitado. Los materiales experimentalesse había producido en condiciones de laboratorio especializadas utilizando equipos costosos, e incluso entonces, los rangos de temperatura y presión en los que exhibirían NTE estaban muy fuera de las condiciones normales de la vida diaria. Además, la cantidad que se expandieron y contrajeron dependió de la dirección, lo que indujo tensiones internaseso cambió su estructura, lo que significa que la propiedad NTE no duraría más que unos pocos ciclos de calentamiento y enfriamiento.
Un equipo de investigación dirigido por Koshi Takenaka de la Universidad de Nagoya ha logrado superar estos desafíos de ingeniería de materiales. Inspirado por la serie de trabajos de Noriaki Sato, también de la Universidad de Nagoya, cuyo descubrimiento el año pasado de superconductividad en cuasicristales fue considerado uno deLos diez descubrimientos físicos más importantes del año por la revista Physics World: el profesor Takenaka tomó el samario de elementos de tierras raras y su sulfuro, el monosulfuro de samario SmS, que se sabe que cambia la fase de la "fase negra" al volumen más pequeño "fase dorada ". El problema era ajustar el rango de temperaturas a las que se produce la transición de fase. La solución del equipo fue reemplazar una pequeña proporción de átomos de samario con otro elemento de tierras raras, dando Sm1-xRxS, donde" R "es cualquierade los elementos de tierras raras cerio Ce, neodimio Nd, praseodimio Pr o itrio Y. La fracción x que el equipo usó fue típicamente 0.2, excepto el itrio. Estos materiales mostraron "expansiones térmicas negativas gigantes"ión "de hasta 8% a presión ambiente ordinaria y un rango útil de temperaturas alrededor de 150 grados incluso a temperatura ambiente y superior.El cerio es el candidato estrella aquí porque es relativamente barato.
La naturaleza de la transición de fase es tal que los materiales pueden pulverizarse en tamaños de cristal muy pequeños alrededor de una micra en un lado sin perder su propiedad de expansión negativa. Esto amplía las aplicaciones industriales, particularmente dentro de la electrónica.
Si bien el logro de ingeniería del grupo de la Universidad de Nagoya es impresionante, la forma en que funciona la expansión negativa es fascinante desde el punto de vista de la física fundamental. Durante la transición negro-dorada, la estructura cristalina permanece igual pero los átomos se acercan: el tamaño de la unidad de celda se vuelvemás pequeño porque como es muy probable pero quizás aún no 100% seguro la estructura electrónica de los átomos de samario cambia y los hace más pequeños: un proceso de transferencia de carga intraatómica llamado "transición de valencia" o "fluctuación de valencia" dentro delátomos de samario. "Mi impresión", dice el profesor Takenaka, "es que la correlación entre el volumen reticular y la estructura electrónica del samario se verifica experimentalmente para esta clase de sulfuros".
Más específicamente, en la fase negra temperatura más baja, la configuración electrónica de los átomos de samario es 4f 6, lo que significa que en su capa más externa tienen 6 electrones en los orbitales f con los orbitales s, p y d llenos; mientras que en la fase dorada la configuración electrónica es 4f 5 5d 1 -un electrón se ha movido de un orbital 4f a un orbital 5d. Aunque un caparazón "más alto" está comenzando a estar ocupado, resulta que -- a través de una peculiaridad del Principio de Exclusión de Pauli - que el segundo caso da un tamaño de átomo más pequeño, lo que lleva a un tamaño de cristal más pequeño y una expansión negativa.
Pero esto es solo una parte de la imagen fundamental. En la fase negra, el sulfuro de samario y sus ramificaciones dopadas son aislantes, no conducen electricidad; mientras que en la fase dorada se convierten en conductores es decir, metales. Esto sugiereque durante la transición de la fase negro-dorada, la estructura de la banda de todo el cristal está influyendo en la transición de cenefa dentro de los átomos de samario. Aunque nadie ha hecho los cálculos teóricos para los sulfuros de samario dopados hechos por el grupo del profesor Takenaka, un estudio teórico previo ha indicado quecuando los electrones salen del orbital de los átomos de samario, dejan un "agujero" cargado positivamente que interactúa de manera repulsiva con los agujeros en la banda de conducción del cristal, lo que afecta su interacción de intercambio. Esto se convierte en un efecto cooperativo que luego impulsa la transición de valencia en el samarioátomos. Sin embargo, el mecanismo exacto no se entiende bien.
Sin embargo, el logro del grupo dirigido por la Universidad de Nagoya es uno de ingeniería, no de física pura. "Lo que es importante para muchos ingenieros es la capacidad de usar el material para reducir la falla del dispositivo debido a la expansión térmica", explica el profesor Takenaka. "Encorto, en un cierto rango de temperatura, el rango de temperatura en el que opera el dispositivo deseado, típicamente un intervalo de docenas de grados o más, el volumen debe disminuir gradualmente con un aumento de temperatura y aumentar a medida que la temperatura desciende., También sé que la expansión del volumen en el enfriamiento durante una transición de fase [como la congelación del agua] es un caso común para muchos materiales. Sin embargo, si el volumen cambia en un rango de temperatura muy estrecho, no hay valor de ingeniería. El logro actual es elresultado de la ingeniería de materiales, no de la física pura ".
Quizás incluso anuncia una nueva era "dorada" para la electrónica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Nagoya . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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