Crearon una cerámica que podría sustituir a los componentes electrónicos basados ​​en plomo

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

La cerámica producida en el laboratorio del profesor Igor Lubomirsky en el Instituto de Ciencias Weizmann de Israel parecía demasiado buena para ser verdad. Pertenece a una clase de materiales que son la columna vertebral de muchas tecnologías esenciales, pero que lamentablemente también generan un problema ambiental porque suelen contener plomo, que es altamente tóxico.

Lo sorprendente de la cerámica diseñada por los investigadores del Weizmann fue que podía funcionar tan bien como otros materiales de esta categoría y, al mismo tiempo, ser completamente atóxico. El hallazgo se publicó en la revista Nature Communications.

El nuevo material pertenece a una clase de sustancias que se deforman cuando se exponen a un campo eléctrico y sufren tensiones y esfuerzos que se aprovechan ampliamente en una serie de dispositivos para producir movimientos minúsculos y precisos.

En los teléfonos móviles, por ejemplo, la ligera deformación inducida por el voltaje puede activar el proceso de carga o mover la lente para crear el enfoque automático. En las impresoras de inyección de tinta industriales, una placa se deforma cuando se aplica voltaje y expulsa una cantidad controlada de tinta.

Un camino para evitar la contaminación por plomo

En la actualidad, los materiales que sufren tales deformaciones (conocidos como electroestrictores o piezoeléctricos, según el mecanismo subyacente) son una fuente importante de contaminación por plomo. Como los componentes electroestrictivos y piezoeléctricos tienden a ser demasiado pequeños para reciclarse, toneladas de plomo terminan regularmente en la basura.

Aunque el plomo se ha eliminado gradualmente de la mayoría de las demás aplicaciones en el mundo occidental, estos materiales son tan indispensables que su uso sigue estando permitido. Los materiales piezoeléctricos, por ejemplo, constituyen un mercado global anual de más de 20 mil millones de dólares.

Los intentos anteriores de científicos de todo el mundo de producir materiales electroestrictivos o piezoeléctricos sin plomo han tenido poco éxito: algunos son demasiado reactivos químicamente, otros demasiado difíciles de fabricar.

En cambio, la sustancia de Weizmann (óxido de cerio mezclado con aproximadamente un 10% de óxido de circonio) es inerte y fácil de fabricar. Pero tal vez su mayor ventaja potencial es que, en comparación con los materiales que se utilizan actualmente, puede producir la misma deformación con una constante dieléctrica mucho más baja, lo que significa que almacena menos carga eléctrica, es decir, requiere menos energía para realizar el mismo trabajo.

Además, los materiales de partida de la nueva cerámica son baratos y se consiguen fácilmente. Tanto el cerio como el circonio son relativamente abundantes en la corteza terrestre y se extraen en todo el planeta para diversas aplicaciones industriales.

El óxido de cerio, por ejemplo, se utiliza habitualmente en forma de polvo para pulir lentes y como catalizador en convertidores catalíticos, dispositivos que reducen las emisiones nocivas de los automóviles.

Por tanto, la cerámica de Weizmann podría ofrecer una alternativa atractiva y respetuosa con el medio ambiente a los materiales electroestrictivos o piezoeléctricos existentes.

Cuando hace más de una década Lubomirsky inició la investigación que conduciría a su descubrimiento, las aplicaciones prácticas estaban lejos de su mente. Su equipo había descubierto que, en determinadas circunstancias, las propiedades mecánicas del óxido de cerio, en forma pura y cuando se mezcla con impurezas, no se ajustaban a la imagen clásica.

El efecto electroestrictivo era aproximadamente 100 veces más fuerte de lo esperado según la teoría predominante, todavía demasiado pequeño para ser de uso práctico, pero intrigante. El equipo continuó explorándolo.

Hace unos tres años, Maxim Varenik, estudiante de doctorado en el laboratorio de Lubomirsky, realizó un experimento que produjo resultados sorprendentes. Introdujo impurezas trivalentes (átomos con una valencia química de tres, es decir, que tienen tres electrones en su órbita exterior) en cerio. Cuando aplicó voltaje a las sustancias resultantes, observó un fenómeno interesante y regular: cuanto más pequeños eran los átomos insertados, mayor era la electrostricción.

Como los aumentos de la electrostricción se habían producido a lo largo de una línea tan clara y recta, sintió curiosidad por seguir experimentando con átomos cada vez más pequeños. Sin embargo, finalmente se quedó sin impurezas trivalentes; ninguna de las más pequeñas que ya había probado podía disolverse en óxido de cerio.

Varenik decidió entonces introducir el circonio, la sustancia que se utiliza habitualmente en los convertidores catalíticos, aunque tiene cuatro electrones en su órbita exterior en lugar de tres. Para su asombro y el de todos los demás, la electrostricción del material que había creado no aumentó ni un ápice, como había sucedido con los otros materiales experimentales, sino que se disparó unas doscientas veces.

“Durante unos diez años hemos estudiado algo que se consideraba totalmente inútil, lo hemos hecho por pura curiosidad científica”, afirma Lubomirsky.

“Ahora, de repente, hemos obtenido un material con posibles aplicaciones en ingeniería. Las tensiones y deformaciones que se producen en él por el voltaje son comparables a las que se observan en los mejores materiales comerciales”.

Además de explorar las propiedades que podrían hacer que su cerámica sea atractiva para uso industrial, los científicos del laboratorio de Lubomirsky están tratando de explicar por qué su rendimiento electroestrictivo estaba tan lejos de los parámetros clásicos. “Este no es un animal que hayamos visto nunca en nuestro zoológico”, dice Lubomirsky.

Desde que se descubrió esta electrostricción no clásica, el equipo de Lubomirsky la ha estado estudiando en colaboración con el profesor Anatoly Frenkel de la Universidad de Stony Brook, uno de los principales expertos mundiales en un tipo de espectroscopia conocida como EXAFS. Recientemente, se les unió a esta investigación el teórico profesor Yue Qi de la Universidad de Brown. Sin embargo, su tarea está lejos de haber terminado.

“Todavía no entendemos completamente qué sucede en este material”, dice Lubomirsky y concluye: “Pero eso es precisamente lo que lo hace interesante”.

* Tanto Frenkel como Qi participaron en este estudio, que fue dirigido por Varenik y el Dr. Boyuan Xu de la Universidad Brown, Providence, Rhode Island. Entre los autores del estudio también se encontraban Junying Li, Elad Gaver, la Dra. Ellen Wachtel, el Dr. David Ehre y Sergey Khodorov del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales de Weizmann; y el Dr. Prahlad K. Routh de la Universidad Stony Brook.