El nuevo material podría usarse para actuar como un interruptor a nanoescala o incluso como un motor.
Científicos de la Universidad de Rice han descubierto una nueva característica viable de una clase particular de materiales 2D.
El científico de materiales de la Universidad de Rice, Boris Yakobson, y su equipo descubrieron una propiedad de los materiales ferroeléctricos 2D que tiene el potencial de ser explotada como una característica en dispositivos futuros.
Según un estudio publicado en ACS Nano, los materiales ferroeléctricos de una sola capa, debido a su capacidad para doblarse en respuesta a un estímulo eléctrico, pueden controlarse para actuar como un interruptor a nanoescala o incluso como un motor.
Boris Yakobson es profesor Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice
Los materiales de una sola capa o 2D generalmente se componen de una sola capa de átomos, lo que significa que tienen solo unos pocos nanómetros de espesor. Han recibido una atención significativa en los últimos años debido a sus propiedades físicas, eléctricas, químicas y ópticas, que los hacen útiles en aplicaciones que van desde la electrónica de consumo hasta las tecnologías médicas e industriales.
“Los materiales 2D son muy delgados y muy flexibles”, dijo Yakobson. «En los ferroeléctricos de una sola capa, esto produce un comportamiento de flexión activo espontáneo inesperado».
“La novedad que encontramos en este estudio es que existe una conexión o acoplamiento entre el estado ferroeléctrico y la flexión o flexión del material. Este trabajo combina el descubrimiento o la predicción de una propiedad fundamental de una clase de materiales 2D con un ángulo de aplicación práctica”.
Los ferroeléctricos son materiales compuestos de iones negativos y positivos que pueden cambiar para producir polarización espontánea, lo que significa que los iones se segregan en función de su carga eléctrica.
«Lo interesante es que los átomos no son idénticos», explica Jun-Jie Zhang, investigador asociado postdoctoral en Rice y autor principal del estudio. «Algunos de ellos son más grandes y otros más pequeños, por lo que la simetría de la capa se rompe».
Jun-Jie Zhang es investigador asociado postdoctoral en Rice y autor principal del estudio. Crédito: Grupo Yakobson/Universidad Rice
La polarización dirige los átomos más grandes a un lado de la capa de material 2D y los átomos más pequeños al otro lado. Esta distribución asimétrica de átomos o iones hace que la superficie del material se doble en un estado ferroeléctrico.
«Entonces, en lugar de permanecer plano, en un estado ferroeléctrico, el material se doblará», dijo Yakobson. “Si cambia la polarización, y puede cambiarla aplicando voltaje eléctrico, puede controlar la dirección en que se dobla. Este comportamiento controlable significa que tiene un actuador.
“Un actuador es cualquier dispositivo que traduce una señal, en muchos casos una señal eléctrica, pero puede ser un tipo diferente de señal, en desplazamiento mecánico o, en otras palabras, movimiento o trabajo”.
El estudio analizó el fosfuro de indio 2D (InP) como representante de la clase de ferroeléctricos para los que predice esta propiedad.
«Esta nueva propiedad o comportamiento de flexión debe probarse en el laboratorio para detectar sustancias específicas», dijo Yakobson. “Su uso más probable será como una especie de interruptor. Este comportamiento es muy rápido, muy sensible, lo que significa que con una señal local muy pequeña, quizás podría encender una turbina o un motor eléctrico, o controlar los espejos de los telescopios de óptica adaptativa. Esta es básicamente la esencia de estos actuadores.
“Cuando conduce su automóvil, tiene muchos botones e interruptores y eso hace que todo sea muy fácil. Ya no necesita abrir la ventanilla del automóvil, simplemente presione un interruptor”.
Referencia: «Flexo-Ferroelectricity and a Work Cycle of a Two-Dimensional-Monolayer Actuator» por Jun-Jie Zhang, Tariq Altatalhi y Boris I. Yakobson, 28 de febrero de 2023, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c00492
El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y la Oficina de Investigación Naval, con recursos informáticos proporcionados a través del programa ACCESS de la Fundación Nacional de Ciencias.
