Sin un mapa, puede resultar casi imposible saber no sólo dónde estás, sino también hacia dónde vas, y eso es especialmente cierto cuando se trata de propiedades de los materiales.

Durante décadas, los científicos han comprendido que, si bien los materiales a granel se comportan de ciertas maneras, esas reglas pueden fallar en el caso de los materiales en las escalas micro y nano, y a menudo de maneras sorprendentes.Una de esas sorpresas fue el hallazgo de que, para algunos materiales, aplicar incluso deformaciones modestas (un concepto conocido como ingeniería de deformaciones elásticas) a los materiales puede mejorar dramáticamente ciertas propiedades, siempre que esas deformaciones permanezcan elásticas y no se relajen debido a la plasticidad, la fractura., o transformaciones de fase.Los materiales a micro y nanoescala son especialmente buenos para mantener las tensiones aplicadas en forma elástica.

Sin embargo, hasta hace poco no estaba tan claro exactamente cómo aplicar esas deformaciones elásticas (o equivalentemente, tensión residual) para lograr ciertas propiedades del material.

Usando una combinación de cálculos de primeros principios yaprendizaje automático, un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado el primer mapa sobre cómo ajustar materiales cristalinos para producir propiedades térmicas y electrónicas específicas.

Dirigido por Ju Li, profesor de Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, el equipo describió un marco para comprender con precisión cómo el cambio de las tensiones elásticas en un material puede ajustar propiedades como térmicas yconductividad eléctrica.El trabajo se describe en un artículo de acceso abierto.publicadoenPNAS.

"Por primera vez, mediante el uso del aprendizaje automático, hemos podido delinear el límite completo de seis dimensiones de la resistencia ideal, que es el límite superior de la ingeniería de deformación elástica, y crear un mapa para estas propiedades electrónicas y fonónicas".dice Li."Ahora podemos utilizar este enfoque para explorar muchos otros materiales. Tradicionalmente, la gente crea nuevos materiales cambiando la química".

"Por ejemplo, con una aleación ternaria, puedes cambiar el porcentaje de dos elementos, por lo que tienes dos grados de libertad", continúa."Lo que hemos demostrado es que el diamante, con un solo elemento, es equivalente a una aleación de seis componentes, porque tiene seis grados de libertad de tensión elástica que puede ajustar de forma independiente".

Pequeñas tensiones, grandes beneficios materiales

El artículo se basa en una base establecida ya en la década de 1980, cuando los investigadores descubrieron por primera vez que el rendimiento de los materiales semiconductores se duplicaba cuando se aplicaba al material una pequeña tensión elástica (sólo el 1 por ciento).

Si bien ese descubrimiento fue rápidamente comercializado por elindustria de semiconductoresy hoy se utiliza para aumentar el rendimiento de los microchips en todo, desde portátiles hasta teléfonos móviles, ese nivel de tensión es muy pequeño en comparación con lo que podemos lograr ahora, dice Subra Suresh, profesor emérito de ingeniería de Vannevar Bush.

en un 2018Cienciapapel, Suresh, Dao y colegasdemostró que el 1 por ciento de tensiónfue sólo la punta del iceberg.

Como parte de un estudio de 2018, Suresh y sus colegas demostraron por primera vez que las nanoagujas de diamante podían soportar tensiones elásticas de hasta un 9 por ciento y aun así volver a su estado original.Más tarde, varios grupos confirmaron de forma independiente que el diamante a microescala puede deformarse elásticamente en aproximadamente un 7 por ciento en tensión de forma reversible.

"Una vez que demostramos que podíamos doblar diamantes a nanoescala y crear deformaciones del orden del 9 o 10 por ciento, la pregunta fue: ¿qué hacer con ellos?", dice Suresh."Resulta que el diamante es un muy buen material semiconductor... y una de nuestras preguntas fue: si podemos deformar mecánicamente el diamante, ¿podemos reducir la banda prohibida de 5,6 electronvoltios a dos o tres? ¿O podemos conseguirlo todo?¿El camino hasta cero, donde comienza a conducir como un metal?

Para responder a esas preguntas, el equipo recurrió primero al aprendizaje automático en un esfuerzo por obtener una imagen más precisa de cómo exactamente la tensión alteraba las propiedades de los materiales.

"La tensión ocupa un espacio muy grande", explica Li."Se puede tener tensión de tracción, se puede tener tensión de corte en múltiples direcciones, por lo que es un espacio de seis dimensiones, y la banda de fonones es tridimensional, por lo que en total hay nueve parámetros sintonizables. Entonces, estamos usando aprendizaje automático, por primera vez, para crear un mapa completo para navegar por las propiedades electrónicas y fonónicas e identificar los límites".

Armado con ese mapa, el equipo demostró posteriormente cómo se podría utilizar la tensión para alterar drásticamente las propiedades semiconductoras del diamante.

"El diamante es como el Monte Everest de los materiales electrónicos", dice Li, "porque tiene propiedades muyalta conductividad térmica, resistencias dieléctricas muy altas, una movilidad de portador muy grande.Lo que hemos demostrado es que podemos aplastar de forma controlable el Monte Everest... así que demostramos que mediante la ingeniería de deformación se puede mejorar la conductividad térmica del diamante en un factor de dos o empeorarla mucho en un factor de 20".

Nuevo mapa, nuevas aplicaciones.

En el futuro, los hallazgos podrían usarse para explorar una serie de propiedades de materiales exóticos, dice Li, desde una conductividad térmica drásticamente reducida hasta la superconductividad.

"Experimentalmente, estas propiedades ya son accesibles con nanoagujas e incluso micropuentes", afirma."Y hemos visto propiedades exóticas, como reducir la (conductividad térmica) del diamante a sólo unos pocos cientos de vatios por metro Kelvin. Recientemente, la gente ha demostrado que se pueden producir superconductores a temperatura ambiente con hidruros si los comprimes a unos pocos cientos de gigapascales., por lo que hemos encontrado todo tipo de comportamientos exóticos una vez que tenemos el mapa."

Los resultados también podrían influir en el diseño de chips de computadora de próxima generación capaces de funcionar mucho más rápido y a menor temperatura que los procesadores actuales, así como en sensores cuánticos y dispositivos de comunicación.A medida que la industria de fabricación de semiconductores avanza hacia arquitecturas cada vez más densas, Suresh dice que la capacidad de ajustar la conductividad térmica de un material será particularmente importante para la disipación de calor.

Si bien el artículo podría informar el diseño de generaciones futuras de microchips, Zhe Shi, postdoctorado en el laboratorio de Li y primer autor del artículo, dice que se necesitará más trabajo antes de que esos chips lleguen a la computadora portátil o al teléfono celular promedio.

"Sabemos que un 1 por ciento de tensión puede generar un aumento de un orden de magnitud en la velocidad de reloj de su CPU", dice Shi."Hay muchos problemas de fabricación y de dispositivos que deben resolverse para que esto sea realista, pero creo que definitivamente es un gran comienzo. Es un comienzo emocionante para lo que podría conducir a avances significativos en la tecnología".

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.