Efecto piezoeléctrico auxético en heteroestructuras

 

Las estructuras o materiales auxéticos (del griego auxein, expandirse) tienen un coeficiente de Poisson negativo; es decir, se expanden en la dirección transversal cuando se estiran longitudinalmente o adelgazan cuando se comprimen. Por su parte, los materiales piezoeléctricos son aquellos materiales funcionales que, cuando se deforman elásticamente, pueden cambiar sus dimensiones en respuesta a un campo eléctrico E o cambiar su estado de polarización eléctrica P cuando se deforman elásticamente.

La ruptura de simetría que ocurre en la interfase de una heteroestrucura es fundamental para una multitud de efectos físicos. Recientemente se ha demostrado que la asimetría de la interfase puede inducir efectos piezoeléctricos en las heteroestructuras, incluso en aquellas formadas por semiconductores centrosimétricos. 

Un grupo de investigadores de Reino Unido y China, empleando la ingeniería de la simetría de la interfase, logró fenómenos piezoeléctricos que se comportan como un análogo eléctrico del índice de Poisson negativo. Este efecto, se denomina efecto piezoeléctrico auxético. Bajo la acción de un estímulo eléctrico externo, los coeficientes piezoeléctricos longitudinal (d33) y transversal (d31, d32) exhiben el mismo signo, lo que permite una contracción o expansión simultánea en todas las direcciones. Para el estudio fabricaron superredes de SrTiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3/BaTiO3 orientadas (001) y (111), cuyas capas son de alrededor de 3 nm y tienen un espesor total de 100 nm. Encontraron que, controlando la anisotropía en el plano, los signos de los coeficientes transversales se pueden ajustar aún más.

Estos resultados permitirán explorar el efecto piezoeléctrico en una amplia gama de materiales semiconductores y configuraciones de heteroestructuras con enfoques innovadores para diseñar y optimizar dispositivos electromecánicos (filtros, sensores y actuadores) compatibles con la tecnología complementaria de semiconductores de óxidos metálicos.

Publicado en Nature Materials

Elaborada el 17 de enero de 2024

Ensamble en 3-D de una red de MXenos utilizando una cerámica porosa como andamio

 

Los carburos de metales de transición (MXenos) son novedosos nanomateriales-2D con propiedades excepcionales y aplicaciones en el almacenamiento de energía, la catálisis y para la conversión de energía. Sin embargo, son difíciles de ensamblar en estructuras-3D y eso ha limitado sus aplicaciones.

Investigadores de EUA resolvieron el problema mediante un sistema híbrido de materiales consistente en una red de MXenos producidos sobre un andamio de cerámica (sílica) porosa (MX-PS).

Este nuevo material de sílica moldeada en frío y de porosidad controlada, facilita el ensamble de los planos de Mxenos. Los MXenos se infiltran y dispersan en los poros y al enfriarse se depositan en las superficies internas formando una red interconectada.  Por otra parte, la cerámica porosa le proporciona resistencia mecánica, permeabilidad a líquidos y gases, entre otras propiedades. 

Con este material se construyen supercapacitores tipo “sándwich” con electrodos de Ti3C2Tx (MX-PS) que presentan una excelente capacitancia de (7.24 F cm-2 ) y densidad de energía (0.32 mWh cm-2) con solo 6% de masa adicional. 

El novedoso enfoque para crear arquitecturas 3-D a partir de materiales 2-D seguramente tendrá un impacto significativo en muchas aplicaciones en la ingeniería de materiales.

Para más detalles ver:  Advanced Materials

Elaborada el 21 de noviembre 2023

Desarrollo de un resonador de carburo de silicio amorfo para nanomecánica

 

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, fabricaron resonadores basados en películas delgadas del carburo de silicio amorfo (a-SiC), con espesores de entre 70 y 130 nm, que exhiben una resistencia máxima a la  tensión  mayor a 10 GPa, alcanzando el régimen reservado para materiales cristalinos resistentes y acercándose a niveles demostrados experimentalmente en nanocintas de grafeno. Las películas de a-SiC se depositaron sobre obleas de Si y se moldearon en forma de membranas, cantilevers e hilos.

La frecuencia de resonancia se caracterizó por efecto Doppler. 

Este robusto material, en forma de película delgada, tiene un potencial significativo para aplicaciones en sensores nanomecánicos, celdas solares, aplicaciones biológicas, exploración espacial y otras áreas que requieren resistencia y estabilidad en entornos dinámicos.

Los hallazgos de este estudio abren nuevas posibilidades para aplicaciones de alto rendimientode películas delgadas de materiales amorfos. 

El estudio se publicó en la revista Advanced Materials

Elaborada el 17 de noviembre de 2023

Estructura electrónica y actividad catalítica de nanopartículas tipo núcleo-coraza Pd@Pt dopadas con cobalto

 

El platino es un catalizador que juega un papel esencial en las celdas de combustible con membranas poliméricas como electrolito; sin embargo, su aplicación comercial es muy limitada dada su escasez, alta demanda y precio. Recientemente se demostró que con nanopartículas octaédricas tipo núcleo coraza Pd@Pt en las que se puede variar la cantidad de Pt, es posible lograr un aumento en su actividad y durabilidad en comparación con los catalizadores comerciales de Pt/C. Este nuevo nanomaterial incrementa la reacción de reducción de oxígeno (RRO) en el proceso de formación de agua en la celda de combustible, lo que produce mayor corriente y la generación más eficiente de potencia.

En este trabajo, un grupo de investigadores de Canadá reportó que, al dopar la superficie de estas nanopartículas con Co, aumenta aún más su actividad y durabilidad. Estos catalizadores fueron caracterizados por medio de la estructura fina en el umbral de absorción de rayos-X (producidos en un sincrotrón) de la capa L3 del Pt y el umbral de absorción de la capa K del Co. Además, realizaron pruebas del rendimiento catalítico para determinar el efecto del dopante y la actividad del catalizador. Correlacionaron los resultados acerca de la estructura electrónica local del catalizador con los de actividad electrocatalítica para optimizar su rendimiento. 

En conclusión, resultó que el Co aumenta simultáneamente la actividad catalítica, la durabilidad a largo plazo y reduce el contenido de Pt en el catalizador. De esta manera se da un paso más en la búsqueda de soluciones para producir energía sustentable. 

Más detalles en: 

ACS Journal of Physical Chemistry C

Elaborada el 16 de octubre de 2023

Ajuste dinámico de la fricción en la interfase de grafeno mediante el efecto de campo

 

La fricción afecta el desgaste de los materiales y el flujo de fluidos a través de las superficies, entre otros efectos. Sin embargo, se puede controlar pasivamente mediante la selección de componentes de diseño, por ejemplo, material y rugosidad.

Una tendencia más reciente ha sido investigar sistemas cuya respuesta a la fricción pueda ajustarse dinámicamente in situ. Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, dirigidos por la profesora Espinosa-Marzal, estudiaron cómo ajustar dinámicamente la fricción entre una superficie de grafeno y la punta del AFM en una configuración de un transistor de efecto de campo (FET por sus siglas del inglés field effect transistor) en una atmósfera de nitrógeno, mientras el nivel de dopaje del grafeno se modula in situ cambiando el potencial que se aplica a la compuerta inferior. En contraste con contactos aislantes o conductores, el contacto de grafeno con puntas semiconductoras exhibe una fricción ajustable y sensible a la densidad de carga en el grafeno.

Desde el punto de vista de su aplicación, estos resultados ofrecen la oportunidad de sintonizar la fricción en dispositivos FET basados en materiales semiconductores 2D para obtener estados on/off con portadores de carga de una sola polaridad.

El trabajo se detalla en el artículo "Dynamically tuning friction at the graphene interface using the field effect ", publicado el 19 de septiembre de 2023 en la revista Nature Communications.

Elaborada el 3 de octubre 2023