En busca de nuevos materiales multiferroicos que suman propiedades eléctricas y magnéticas, un grupo de investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM ensaya, en la escala de lo pequeño, nuevas combinaciones para la tecnología del siglo XXI.
Útiles como componentes de dispositivos médicos, electrónicos, de cómputo y en celdas solares, los multiferroicos son materiales de amplia aplicación industrial, pero tienen elementos contaminantes como el plomo.
“Uno de los retos es sustituir paulatinamente los componentes que dañan al medio ambiente con nuevas combinaciones, pero sin perder eficiencia”, planteó Jesús María Siqueiros Beltrones, investigador del CNyN campus Ensenada de esta casa de estudios.
Eléctricos y magnéticos
La ferroelectricidad es la capacidad de algunos materiales para guardar información en su estructura cristalina, sin necesidad de conectarlos a una fuente de energía como la corriente eléctrica o las baterías. Los datos se almacenan por la polarización eléctrica, que puede ser activada externamente por un voltaje y persistir aunque éste sea retirado.
En tanto, el ferromagnetismo representa un comportamiento similar, excepto que aquí hablamos de polarización magnética y dipolos magnéticos; no obstante el origen de la ferroelectricidad y el magnetismo es diferente.
Habría un tercer fenómeno de este tipo, la ferroelasticidad, que refiere las deformaciones espontáneas del material.
Se le llama multiferroico a un material que en su comportamiento presente al menos dos de estas tres propiedades. Siqueiros Beltrones explicó que los materiales con esta doble capacidad pueden construirse en forma de cerámica (pastillas o tabletas) o de película delgada (capas con espesores que van de algunos hasta 500 nanómetros).
“Como cerámicos dominan en cierto tipo de aplicaciones médicas. Por ejemplo, el titanato o circonato de plomo (PZT, que convierte la energía mecánica en electricidad y viceversa) sirve para producir fuentes de ultrasonido –con éste se hacen estudios diagnósticos–, también funciona como sensor de ultrasonido para sonares y otros equipos marinos”, detalló.
En tanto, como películas delgadas se usan en microelectrónica de la computación. “Por sus propiedades, se aprovechan para construir memorias de computadora en diferentes formas. Los ferroeléctricos presentan, incluso en ausencia de un campo eléctrico, una polarización eléctrica; esta última se puede invertir, lo que permite crear dispositivos de cómputo, pues define dos estados estables (cero y uno) y con eso es factible construir el álgebra en la que se basa la computación”, resumió.
Las películas delgadas de materiales ferroeléctricos tienen, en general, una constante dieléctrica muy alta, lo que ayuda a desarrollar condensadores pequeños, pero de gran capacidad.
“Al habilitar en estos materiales la propiedad magnética, surge la posibilidad de construir memoria de computadora que en vez de dos estados estables tenga cuatro, pues el campo eléctrico puede tener dos orientaciones, el campo magnético otras dos, y es posible combinar ambos fenómenos, lo que amplía la capacidad de la memoria. Es algo que se investiga en la actualidad”, señaló.
Moléculas de un material a otro
Entre sus experimentos, los científicos universitarios utilizan la ablación láser, un método que, tras bombardear con haces de luz láser de alta potencia un material, desprenden de éste átomos, moléculas y partículas que se depositan sobre un sustrato o sobre otra película delgada de un material diferente, para obtener un sistema con nuevas capacidades.
Para sustituir al plomo, se ha experimentado con titanato de bario, considerado el material piezoeléctrico por excelencia, que tuvo auge tras la Segunda Guerra Mundial. “Sigue presente, pero no se ha establecido como material definitivo. Se usa mucho para condensadores, pero no tanto para memoria”, indicó.
El físico y sus colegas prueban opciones no contaminantes a partir de materiales cerámicos como niobio, potasio y sodio, llamados genéricamente KNN.
“Bajo ciertas condiciones especiales comienzan a dar propiedades. A los KNN les agregamos elementos de tierras raras como lantano, y otras como litio y tantalio; así, hemos logrado mejorar algunas propiedades. Estamos en el proceso de integrar a ese material ‘impurificaciones’ que van del 0.5 al tres por ciento atómico”, precisó.
Hasta ahora, prosiguió, el desarrollo más prometedor es el KNN, aunque enfrentan el problema de que los compuestos de sodio y potasio son higroscópicos (les gusta el agua), así que se debe cuidar que el material no absorba humedad, que esté encapsulado o aislado, lo que traduce el inconveniente tecnológico en uno económico, pues se requiere un proceso adicional en la fabricación.
Otro material con el que experimentan en el CNyN es el PFN, un óxido de plomo, fierro y niobio, que tiene comportamiento ferroeléctrico y magnético. “Lo más importante es la interacción entre ambos, pues esto permite, en aplicaciones en cómputo, grabar magnéticamente y leer eléctricamente un proceso que es energéticamente muy eficiente”, concluyó.
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