Los científicos de materiales de la Universidad de Minnesota han descubierto un método novedoso para crear y controlar con precisión “defectos” microscópicos dentro de materiales ultrafinos. Estas imperfecciones internas, formalmente conocidas como defectos extendidos, ofrecen un camino prometedor para dotar a los nanomateriales de próxima generación de propiedades sin precedentes, lo que podría generar avances significativos en la nanotecnología.
Comprensión de los defectos extendidos
Los defectos extendidos son alteraciones en la estructura cristalina de un material que se extienden a lo largo de un área relativamente grande, a diferencia de los defectos puntuales que afectan a átomos individuales. Piense en una red cristalina prístina como una cuadrícula de bloques de construcción perfectamente dispuestos; un defecto extendido es como una ruptura deliberada y cuidadosamente colocada en esa red. Lo único de estos defectos es que ocupan un volumen pequeño e influyen significativamente en las propiedades del material circundante.
Lograr un control sin precedentes
La investigación, publicada en Nature Communications, demostró la capacidad de diseñar regiones dentro del material con densidades de estos defectos extendidos hasta 1.000 veces mayores que en áreas sin patrones. Este nivel de control es crucial porque permite a los investigadores adaptar las propiedades de los materiales en zonas específicas.
“Estos defectos extendidos son interesantes porque abarcan todo el material pero ocupan un volumen muy pequeño”, explica Andre Mkhoyan, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. “Al controlar cuidadosamente estas pequeñas características, podemos aprovechar las propiedades tanto del defecto como del material circundante”.
La técnica: creación de defectos estampados
El avance del equipo radica en un nuevo enfoque del diseño de materiales. Descubrieron que al crear pequeños patrones que inducen defectos en la superficie antes de hacer crecer la película delgada, podían controlar con precisión la densidad y el tipo de defectos extendidos.
“Descubrimos una nueva forma de diseñar materiales creando patrones diminutos que inducen defectos en la superficie del sustrato antes de desarrollar una película delgada sobre él”, dijo Supriya Ghosh, estudiante de posgrado en el Laboratorio Mkhoyan y primer autor del artículo.
Esta técnica permite la creación de materiales con propiedades drásticamente diferentes en diferentes secciones. Al concentrar los defectos a lo largo del espesor del material, los investigadores pueden generar nuevas películas en las que los patrones de tamaño nanométrico estén dictados en gran medida por estos defectos. Esto podría conducir a cambios radicales en el comportamiento material.
Implicaciones más amplias y aplicaciones futuras
Si bien el estudio inicial se centró en los óxidos de perovskita (una clase de materiales cada vez más utilizados en células solares y otras aplicaciones), los investigadores creen que este método es adaptable a varios tipos de materiales delgados. Los beneficios potenciales son de gran alcance. Abre un camino hacia el desarrollo de dispositivos electrónicos que aprovechen las propiedades únicas que confieren estos defectos controlados.
El equipo de investigación incluyó a Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol y Bharat Jalan, todos del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, junto con Fengdeng Liu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.
En esencia, esta investigación demuestra que la introducción estratégica de imperfecciones puede desbloquear funcionalidades completamente nuevas en los nanomateriales, allanando el camino para una nueva era en el diseño de materiales.
Este enfoque innovador de la ingeniería de materiales podría revolucionar la nanotecnología al ofrecer un método preciso y versátil para crear materiales con propiedades personalizadas a nanoescala.
