Materiales hechos a medida únicamente cambiando la disposición de los átomos

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La ingeniería de materiales a nanoescala puede ser empleada con éxito en el diseño de un nuevo tipo de materiales: superredes formadas por capas del mismo material con diferente estructura cristalina. El estudio, publicado en Nano Letters, allana el camino para la fabricación de dispositivos termoeléctricos y nanoelectrónicos eficientes, que requieren materiales de alta calidad y sin defectos en su estructura e interfases.

 

Imagen TEM de la disposición atómica de las superredes. Se puede apreciar el cambio en el apilamiento de las diferentes capas.Durante siglos, la tarea de la ciencia de los materiales ha sido la de describir y comprender las leyes de la naturaleza que determinan las propiedades de los materiales. ¿Por qué el cobre es un buen conductor eléctrico? ¿Por qué el vidrio es transparente? ¿Por qué la magnetita es… magnética?

Hoy en día, como ya podemos responder a estas preguntas, los científicos de materiales se enfrentan a una tarea aún más ambiciosa: crear materiales por diseño, es decir, materiales con propiedades hechas a medida. Es especialmente interesante buscar y crear materiales con nuevas propiedades, ya que pueden ser útiles para algunas aplicaciones específicas que ni siquiera podemos imaginar.

Una manera de lograr este objetivo es crear superredes: estructuras periódicas hechas de una secuencia ordenada de bloques o capas apiladas de diferentes materiales. Lo fascinante de estas estructuras es que se comportan como metamateriales, lo que significa que tienen sus propias propiedades, y que pueden cambiarse controlando el apilamiento de los bloques (composición, estructura, grosor, etc).

Ahora, investigadores del Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), la Universidad de Basilea, la Universitat Autònoma de Barcelona, y la Universidad Politécnica de Eindhoven han demostrado por primera vez que las propiedades vibratorias de una superred de fase cristalina se pueden cambiar a voluntad. Y se trata de un nuevo tipo de superred, cuyos bloques de LEGO® utilizados como bloques o capas apiladas, en lugar de estar hechos de diferentes materiales, están hechos de diferentes fases cristalinas del mismo material. El estudio se ha publicado en Nano Letters.

"Este descubrimiento abre el camino a interesantes desarrollos futuros, ya que las interfases entre diferentes materiales son a menudo ásperas y defectuosas, mientras que las interfases entre diferentes estructuras cristalinas del mismo material son notablemente nítidas y limpias, una característica crucial para muchas aplicaciones", afirma Riccardo Rurali, investigador del estudio con sede en el ICMAB-CSIC. "Esto se debe a que la especie atómica y la naturaleza del enlace químico permanecen iguales mientras que sólo cambia la disposición atómica".

Hasta hoy, sin embargo, se había debatido si estos nuevos sistemas podrían comportarse como superredes convencionales. Ahora vemos que es posible, y que pueden ir más allá. Estos materiales pueden tener aplicaciones en el campo de la materia condensada y la nanociencia, como en la ingeniería de materiales termoeléctricos eficientes y la nanoelectrónica, o en la concepción de dispositivos que puedan utilizar el calor para el procesamiento de la información.

Marta De Luca, Claudia Fasolato, Marcel A. Verheijen, Yizhen Ren, Milo Y. Swinkels, Sebastian Kölling, Erik P. A. M. Bakkers, Riccardo Rurali*, Xavier Cartoixà, Ilaria Zardo*. Phonon Engineering in Twinning Superlattice Nanowires. NanoLetters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01775

Noticia via:  Anna May / Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) 

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