Un nuevo material muy eficiente convierte el movimiento en energía, sin plomo tóxico
Unos científicos han desarrollado un nuevo material que convierte el movimiento en electricidad (piezoelectricidad) con mayor eficacia y sin utilizar plomo tóxico, lo que abre el camino a una nueva generación de dispositivos de uso cotidiano.
De izquierda a derecha, el Dr. Benjamin M. Gallant, el Dr. Dominik J. Kubicki y el Dr. Shrestha Banerjee delante de un instrumento de RMN de estado sólido en el Edificio de Ciencias Moleculares de la Universidad de Birmingham.
University of Birmingham/University of Oxford
Investigadores de la Universidad de Birmingham, la Universidad de Oxford y la Universidad de Bristol publican hoy (26 de noviembre) su descubrimiento en el Journal of the American Chemical Society y describen un material que es a la vez duradero y sensible al movimiento, lo que abre posibilidades para una amplia gama de dispositivos innovadores como sensores, aparatos electrónicos portátiles y dispositivos autoalimentados.
Basado en yoduro de bismuto, una sal inorgánica de baja toxicidad, el nuevo material híbrido blando rivaliza en prestaciones con las cerámicas tradicionales a base de plomo, pero con menor toxicidad y más fácil procesamiento. No contiene plomo, en comparación con otras alternativas de alto rendimiento como el PZT (titanato de circonato de plomo), que contiene un 60% de plomo, y puede fabricarse a temperatura ambiente en lugar de a 1000 °C.
Los materiales piezoeléctricos generan carga eléctrica cuando se presionan o doblan y también pueden deformarse cuando se les aplica un campo eléctrico. Son esenciales para tecnologías que van desde los actuadores de precisión -utilizados en productos como el autoenfoque de las cámaras y las bombas de las impresoras de chorro de tinta- hasta los sensores de captación de energía incorporados a tecnologías portátiles como los rastreadores de actividad física, la ropa inteligente y los sistemas de airbag de los automóviles.
La autora principal del estudio, la Dra. Esther Hung, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, dirigió la investigación: Afinando las interacciones entre los componentes orgánicos e inorgánicos, conseguimos crear una delicada inestabilidad estructural que rompe la simetría de la forma adecuada".
"Esta interacción entre orden y desorden es lo que confiere al material su excepcional respuesta piezoeléctrica. Es un enfoque diferente de la piezoelectricidad que en materiales tradicionales como el titanato de circonato de plomo (PZT), y eso es lo que ha llevado a estas grandes mejoras".
El mercado mundial de materiales piezoeléctricos mueve más de 35.000 millones de dólares y sigue creciendo con rapidez, impulsado por la demanda en automoción, sanidad, robótica y electrónica de consumo, donde son esenciales los dispositivos que convierten el movimiento en electricidad o en movimientos precisos.
Investigadores de la Universidad de Birmingham utilizaron difracción de rayos X en monocristales y resonancia magnética nuclear (RMN) en estado sólido para comprender el comportamiento del material. Descubrieron que la forma en que las partes orgánicas e inorgánicas se adhieren mediante enlaces halógenos puede utilizarse para cambiar cuándo y cómo el material modifica su estructura, así como para mejorar el rendimiento piezoeléctrico. Estos conocimientos también podrían ser útiles para mejorar el rendimiento piezoeléctrico de otros materiales que combinan elementos orgánicos e inorgánicos.
El Dr. Benjamin Gallant, de la Universidad de Birmingham, que dirigió el estudio de RMN, declaró: "Como investigador que inicia su carrera, es emocionante participar en una investigación con el poder de transformar nuestra sociedad: casi todos los dispositivos que utilizamos en nuestra vida cotidiana contienen piezoeléctricos".
La investigación ha sido supervisada conjuntamente por el profesor Henry Snaith (Oxford), el doctor Harry Sansom (Bristol) y el doctor Dominik Kubicki (Birmingham), y ha reunido conocimientos sobre nuevos materiales, diseño de cristales y caracterización de estructuras a nivel atómico.
En palabras del Dr. Dominik Kubicki, de la Universidad de Birmingham: "Con un rendimiento comparable al de los piezoeléctricos comerciales, pero fabricado a partir de bismuto no tóxico, este descubrimiento es una nueva vía hacia tecnologías responsables con el medio ambiente que pueden alimentar sensores, implantes médicos y la electrónica flexible del futuro."
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