A los ingenieros de materiales no les gusta ver defectos en las líneas de los materiales funcionales.
Las fallas estructurales a lo largo de una línea unidimensional de átomos generalmente degradan el rendimiento de los materiales eléctricos. Entonces, como un artículo de investigación publicado hoy por la revista ciencia los informes, estos defectos lineales o dislocaciones, "generalmente se evitan a toda costa".
Pero a veces, un equipo de investigadores de Europa, la Universidad Estatal de Iowa y el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Informan en ese documento que la ingeniería de esos defectos en algunos cristales de óxido puede en realidad aumentar el rendimiento eléctrico.
El equipo de investigación, dirigido por Jürgen Rödel y Jurij Koruza de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania, descubrió que ciertos defectos producen mejoras significativas en dos mediciones clave del rendimiento eléctrico en titanato de bario, un material cerámico cristalino.
"Al introducir estos defectos en el material, podemos cambiar, modificar o mejorar las propiedades funcionales del material", dijo Xiaoli Tan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales del estado de Iowa y colaborador de investigación de Rödel desde hace mucho tiempo.
En este caso, los defectos de ingeniería llevaron a un aumento de cinco veces en las propiedades dieléctricas que restringen el flujo de corriente y un aumento de 19 veces en las propiedades piezoeléctricas que genera internamente un campo eléctrico cuando está sujeto a estrés mecánico,Tan dijo.
Herramientas especiales para medidas especiales
Además de Tan, otros dos investigadores del estado de Iowa ayudaron al equipo de investigación internacional del proyecto a explorar cuestiones fundamentales sobre materiales: Lin Zhou, científico en ciencia e ingeniería de materiales y el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU.; Y Binzhi Liu, estudiante de doctorado enCiencia e Ingeniería de los Materiales.
Con el apoyo de la National Science Foundation, los tres contribuyeron con su experiencia en microscopía electrónica de transmisión, tecnología que puede mostrar las estructuras y características de los materiales disparando un haz de electrones a través de muestras delgadas y grabando una imagen. Las imágenes tienen mucho másresolución que la microscopía óptica y puede mostrar detalles finos hasta la escala de átomos individuales.
La clave del proyecto fue la Instalación de Instrumentos Sensibles del Laboratorio Ames construida en cooperación con el estado de Iowa. El edificio fue construido en 2015 con casi $ 10 millones del Departamento de Energía. Proporciona un entorno libre de vibraciones y estática para microscopía electrónica enlas resoluciones más altas posibles.
"Es una instalación de microscopía electrónica de última generación", dijo Zhou. "Proporciona un entorno ultraestable para que podamos lograr imágenes de material a nivel de átomo y al mismo tiempo adquirir información química.
"Es una gran plataforma para investigar y educar a la próxima generación de científicos de materiales".
¿Un mejor material para condensadores?
Para este proyecto, el equipo de microscopía electrónica cuantificó la evidencia de que los defectos de línea en un material cristalino pueden aumentar el rendimiento eléctrico, dijo Liu.
Los números mostraron que "las dislocaciones pueden alterar significativamente el comportamiento de otras características finas en el material", dijo Liu.
Tan dijo que el hallazgo podría tener grandes implicaciones para la industria de los condensadores eléctricos.
Hay cientos de capacitores en su teléfono celular y el mercado para ellos es enorme, dijo Tan. El material cerámico probado en este proyecto ha sido ampliamente utilizado en capacitores, pero el aumento inducido por defectos en el rendimiento eléctrico podría mejorarlo.Además, no contiene plomo y es menos tóxico que otras opciones de materiales.
Y así, escribieron los investigadores, estos defectos de línea de ingeniería podrían convertirse en "un conjunto diferente de herramientas para adaptar materiales funcionales". Y esta "recolección funcional" podría ser buena para nuestra electrónica, e incluso para nuestro medio ambiente y salud.
Nueva evidencia de cómo y cuándo se formó la Vía Láctea
Cosechando la luz como lo hace la naturaleza
Efectos genéticos de la radiación de Chernobyl
Aprovechamiento del zumbido de las luces fluorescentes para una informática más eficiente