Las universidades de Cantabria y de Berkeley descubren nuevos materiales multifuncionales

UC y Universidad Berkeley materiales multifuncionales

El grupo de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad de Cantabria (UC), junto con la Universidad de Berkeley (California, Estados Unidos), ha descubierto nuevos materiales multifuncionales en los que propiedades muy diversas coexisten en un mismo sistema.

El trabajo, publicadao en la prestigiosa revista Nature Materials, es una colaboración teórico-experimental. La parte teórica ha sido liderada por el investigador Pablo García Fernández y el profesor Javier Junquera, de la UC, mientras que la parte experimental se ha realizado casi en su totalidad por la universidad estadounidense, la segunda más prestigiosa del mundo en Física, según el último ranking de Universidades de Shanghai.

Se trata del primer fruto de la colaboración entre los grupos de la UC y Berkeley, resultado de las estancias del profesor Javier Junquera en el centro californiano como profesor invitado en los dos últimos veranos.

Balancín infantil
Según se explica en el artículo, las propiedades de un material están profundamente ligadas a su estructura, es decir, a cómo se colocan los átomos en el espacio. En ocasiones, diferentes estructuras compiten entre sí en un sutil equilibrio. Podríamos comparar la situación con un balancín de un parque infantil. Si dos niños del mismo peso se colocan en sus extremos, el balancín se encontrará en una posición de equilibrio horizontal. Pero una pequeña variación, desde un ligero movimiento de uno de los niños hasta una ráfaga de aire, podría hacer inclinar la balanza a favor de uno de ellos.

Algo parecido es lo que pasa cuando combinamos dos óxidos (PbTiO3 y SrTiO3). Siguiendo la analogía con el balancín, aquí los niños son dos fases diferentes que se pueden encontrar en las interfases: en una de ellas hay dipolos (pequeñas flechas) que apuntan en una determinada dirección en un plano horizontal (fase ferroeléctrica).

En la otra, los dipolos apuntan en un plano vertical pero su dirección gira lentamente formando un remolino, similar en su forma a las imágenes de los huracanes o de las galaxias espirales (fase vórtice). Dependiendo de la composición de la interfase (de cuántas piezas de lego se combinen), la energía de estas dos fases puede ser muy similar y ambas coexisten en un mismo material.

Sin embargo, con un pequeño estímulo externo (con un pequeño campo eléctrico o con un aumento en la temperatura) podemos hacer que todo el sistema se incline hacia la fase ferroeléctrica o hacia la denominada vórtice. Que la balanza caiga de un lado o de otro produce un cambio extremadamente drástico en las propiedades del material.

Por ejemplo, la fase ferroeléctrica es piezoeléctrica, capaz de convertir señales mecánicas en eléctricas. Pero la fase vórtice reacciona de forma distinta a su interacción con la luz. Como ambas repuestas se dan en el mismo material (nada ha cambiado en su composición) nos encontramos ante el ejemplo ansiado de un material multifuncional. Además, la susceptibilidad del material es enorme: pequeñas variaciones externas producen cambios gigantes en las respuestas piezoeléctricas u ópticas.

Aplicaciones de futuro
Aunque aún es temprano para poder anticipar posibles aplicaciones, sí se pueden establecer paralelismos con otras situaciones ya observadas en la Física de Materiales. Por ejemplo, con el de la magnetoresistencia colosal en el que la aplicación de un pequeño campo magnético cambia la resistencia eléctrica de forma substancial. Este efecto es la base de todos los discos duros que usamos en nuestros dispositivos electrónicos y le valió el premio Nobel de Física a Peter Grumberg y Albert Fert en 2007.

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