Las herramientas modernas como los hornos de microondas y las máquinas de rayos X que funcionan con haces de electrones intensos y enfocados son omnipresentes, pero muchos de los materiales en esos dispositivos han permanecido prácticamente sin cambios durante décadas.
Ahora, los ingenieros eléctricos y de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han identificado una sustancia que podría mejorar enormemente la tecnología.
Este nuevo material, miembro de una amplia clase de compuestos llamados perovskitas, podría aumentar la potencia de salida del haz de electrones y permitir comunicaciones de largo alcance o teledetección por una fracción de los costos actuales de energía.
Con una subvención de $ 1.3 millones de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, los investigadores pretenden sintetizar grandes cantidades de material y estudiar más sus propiedades, así como buscar aún más aplicaciones.
Los dispositivos que pueden beneficiarse del trabajo de perovskita de UW-Madison extraen energía útil de corrientes de electrones que vuelan a través del vacío y, por lo tanto, se denominan electrónica de vacío. Los dispositivos electrónicos de vacío ponen la energía de los electrones a trabajar para una amplia gama de funciones, acelerando las partículas eninvestigar reactores para detectar objetos distantes usando el radar para comunicarse con sondas interestelares que cruzan pasando Plutón.
"Cada vez que necesite extraer energía eficientemente de una corriente de electrones con un dispositivo pequeño y compacto, entonces un dispositivo electrónico de vacío es su mejor opción", dice John Booske, profesor de Logros Distinguidos Vilas en ingeniería eléctrica e informática en UW-Madisony un investigador principal del proyecto.
Debido a que los electrones que atraviesan las aspiradoras selladas casi no encuentran resistencia, los dispositivos electrónicos de aspiración son notablemente eficientes. Por ejemplo, el uso de un horno de microondas para eliminar los burritos congelados aprovecha casi el 90 por ciento de la energía inicial para calentar el almuerzo.
Los haces cargados que impulsan estos dispositivos emanan de fuentes llamadas cátodos. La mayoría de los cátodos están hechos de metales que emiten electrones desde su superficie cuando se calientan a alta temperatura. Más emisión significa un haz de electrones más fuerte.
Pero la mayoría de los metales no arrojan cantidades significativas de electrones de sus superficies, incluso a 1,000 grados Celsius.
"La potencia por unidad de volumen que necesita de un transmisor satelital es enorme", dice Booske. "Sin embargo, el tamaño y el presupuesto de potencia son limitados porque la carga útil es muy costosa en un cohete y solo puede aprovechar una cantidad exiguade energía del sol "
Booske, en colaboración con Dane Morgan, el profesor Harvey D. Spangler de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison, se propuso identificar nuevos materiales que pudieran actuar como electrones.fuentes.
La mayoría de los dispositivos electrónicos de vacío generan haces al calentar el metal de tungsteno a altas temperaturas, de la misma manera que los filamentos de las bombillas incandescentes producen luz. Ese resplandor familiar en realidad representa la pérdida de energía contraproducente a los efectos de un haz de electrones, por lo que los cátodos de tungsteno generalmente recibenuna capa delgada de óxido de bario, que los anima a dejar que los electrones vuelen en lugar de simplemente encenderse. Debido a que el óxido de bario es volátil, esa capa se evapora de la superficie a altas temperaturas, degradando el cátodo con el tiempo.
Algunos materiales de cátodos alternativos han surgido en las últimas décadas, pero ninguno supera de manera confiable las tecnologías existentes. Y el proceso de prueba y error de identificar y caracterizar candidatos entre la amplia gama de posibles combinaciones entre elementos en la tabla periódica es similar a elegirsacar una sola aguja de un enorme pajar.
Booske, Morgan y su alumno Ryan Jacobs, sin embargo, han encontrado una aguja.
"Con una técnica computacional bien probada, hemos identificado un material que, en papel, parece la primera perspectiva prometedora que podría ser mejor que los cátodos de última generación", dice Booske.
Utilizando una técnica fundamental llamada teoría funcional de la densidad, los investigadores resolvieron ecuaciones mecánicas cuánticas que controlan las propiedades atómicas de los materiales. La informática de alto rendimiento de última generación les permitió predecir el comportamiento global de los compuestos candidatos y comparar rápidamente los posiblesmateriales
"Permitir que la computadora analice las propiedades del material para todo tipo de compuestos nos permitió evaluar y comparar entre la enorme gama de posibles perovskitas", dice Booske.
Este enfoque - comparación computacional de fuerza bruta informada por parámetros racionalmente seleccionados - seleccionó un tesoro potencial.
"Si bien estamos entusiasmados con nuestro éxito inicial, los resultados de esta primera búsqueda son realmente solo la punta del iceberg", dice Morgan. "Con la comprensión que hemos adquirido, ahora podemos integrar técnicas informáticas y de informática de alto rendimientopara seleccionar de manera inteligente miles de posibles materiales para encontrar nuevos candidatos prometedores. Este tipo de diseño de materiales computacionales, impulsado por universidades de investigación líderes como UW-Madison, está cambiando la forma en que descubrimos materiales ".
Los investigadores están desarrollando estrategias para producir grandes cantidades de material puro y caracterizar aún más sus propiedades. Jacobs, ahora científico en los laboratorios Booske y Morgan, liderará el esfuerzo. Los investigadores están trabajando con la Wisconsin Alumni Research Foundation para patentarel material.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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