Un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania está obteniendo una nueva visión de los materiales inteligentes utilizados en la tecnología de ultrasonido. Al formar el modelo más completo hasta la fecha de cómo funcionan estos materiales, han encontrado sorprendentes similitudes con el comportamiento del agua.
La investigación, publicada en Naturaleza , fue dirigido por Andrew M. Rappe, el Profesor de Química Blanchard en la Escuela de Artes y Ciencias y profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y el postdoc Hiroyuki Takenaka en el Departamento de Química.El especialista en investigación de Penn, Ilya Grinberg, y el ex alumno Shi Liu también contribuyeron al estudio.
Los investigadores de este grupo están interesados en cómo los materiales interactúan, aprovechan y convierten la energía en diferentes formas. En este estudio, estaban investigando un comportamiento de material inteligente llamado piezoelectricidad, que es el intercambio de energía mecánica con energía eléctrica.
En piezoelectricidad, la aplicación de un campo eléctrico a un material reorienta los dipolos dentro de él; esta es la clave para la funcionalidad del material.
"Puedes imaginar que hay una jaula de átomos de oxígeno", dijo Rappe, "y hay un ion positivo en el medio. Si se encuentra en el medio de la jaula, entonces no hay dipolo, pero si se mueve fuera del centro, entonceshay un dipolo. La reorganización de esos dipolos es lo que conduce a estas propiedades de material inteligente ".
A medida que los iones positivos se mueven del centro, las jaulas de iones que los rodean se encogen o alargan de manera concertada, lo que hace que el material cambie de forma.
En los dispositivos de ultrasonido, el suministro de voltaje hace que el material cambie de forma o vibre, y esas vibraciones ingresan al cuerpo humano y hacen eco. Los materiales piezoeléctricos también se usan en el sonar para permitir que los instrumentos vean bajo el agua.
Recientemente, se descubrió un conjunto de materiales que los científicos creen que proporciona un mayor rendimiento piezoeléctrico que los anteriores. Pero en un nivel fundamental, dijo Rappe, la gente no entendía por qué estos materiales funcionan tan bien como lo hacen.
"Si no sabe por qué funciona, ¿cómo podría realizar ingeniería inversa y pasar al siguiente nivel?", Dijo.
Los investigadores a menudo usan la teoría y el modelado para estudiar materiales inteligentes. Tienen una idea de cómo creen que funciona un sistema y pueden representar lo que está haciendo un material real al resolver algunas ecuaciones.
"Una cosa que hacemos a menudo es resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica porque se sabe que la mecánica cuántica es un modelo preciso de cómo se comportan los electrones", dijo Rappe. "Los electrones son el pegamento que mantiene unidos los núcleos. Si sabescómo se comportan, entonces sabes qué determina cuándo se rompen y se forman los enlaces, etc. "
Pero un desarrollo emocionante, dijo, es la capacidad de ir más allá de lo que los investigadores pueden permitirse mecánicamente cuánticamente y construir modelos mecánicos para darles una forma más aproximada de lidiar con los enlaces en un sólido mientras les permite modelar temperaturas finitas,grandes cantidades de material y por períodos de tiempo más largos.
"Esto nos permite observar comportamientos que tardan mucho tiempo en ocurrir o solo suceden en el interior de un material, y esto nos da perspectivas únicas sobre comportamientos complicados", dijo Rappe.
Mientras que otros experimentos han sondeado este material y algunos modelos teóricos han revelado ciertos aspectos del mismo, los investigadores de Penn ahora han proporcionado el modelo más completo hasta la fecha de cómo funciona este material.
Anteriormente, los científicos pensaban que a temperaturas más altas es "cada dipolo para sí mismo", lo que les facilita responder a estímulos externos como los campos eléctricos.
A medida que el material se enfría, los dipolos se agrupan en grupos llamados nanorregiones polares. A medida que estas regiones se hacen más grandes, se vuelven lentas y les resulta cada vez más difícil responder.
En este nuevo documento, los investigadores mostraron que, si bien a temperaturas más altas los dipolos de hecho flotan libremente a medida que la temperatura se enfría y los dipolos se encuentran y forman estas nanorregiones polares, las regiones en realidad no crecen sino que simplemente crecenestar más completamente alineado.
Esto conduce al nacimiento de paredes de dominio dentro del material que separan parches de diferente alineación. Son estas paredes de dominio entre regiones dipolares las que conducen a propiedades piezoeléctricas mejoradas en el material.
Esto refleja un comportamiento similar en el agua, en el que cuanto menor es la temperatura, más correlacionados se vuelven los dipolos, pero la correlación no se mantiene a distancias más grandes.
"Nunca están perfectamente alineados", dijo Rappe. "Los dipolos de agua cercanos pueden alinearse cada vez más, pero debido a la unión de hidrógeno hay un tamaño intrínseco más allá del cual no crece".
Los materiales piezoeléctricos son un elemento importante en los transductores, actuadores y sensores utilizados en muchas industrias. La falta de comprensión sobre cómo funcionan ha ralentizado la mejora de los materiales de mayor calidad. Este documento proporciona una comprensión novedosa de cómo funcionan y revela similitudes con elcomportamiento del agua.
Una comprensión más completa de por qué estos materiales se comportan de la manera en que lo hacen puede desbloquear nuevos diseños de materiales, lo que lleva a piezoeléctricos de mayor calidad que pueden revolucionar las aplicaciones inteligentes de materiales.
"Es emocionante poder construir un modelo desde electrones individuales hasta millones de átomos a temperatura finita y observar propiedades complejas", dijo Rappe, "y es emocionante que observar esas propiedades complejas nos dé nuevas direcciones productivas donde podamosmejorar los materiales que convertirán más eficientemente la energía en dispositivos útiles para ayudar a las personas ".
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval bajo la Subvención N00014-12-1-1033. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos brindó apoyo computacional a través de una Subvención de Reto de la Oficina de Modernización de la Computación de Alto Rendimiento.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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