Los materiales ferroeléctricos son compuestos capaces de mantener una polarización eléctrica espontánea que puede invertirse mediante un campo eléctrico. Esta propiedad los convierte en elementos esenciales en tecnologías como las cámaras infrarrojas, los ultrasonidos médicos, la memoria de ordenadores y los actuadores, dispositivos que transforman energía eléctrica en movimiento o viceversa.
A lo largo del tiempo, estos materiales se han perfeccionado mediante la manipulación de sus fronteras de fase, zonas microscópicas donde coexisten diferentes estructuras cristalinas. Es justo en estas fronteras donde se amplifican las propiedades deseadas, como la piezoelectricidad o la capacidad de almacenar carga.
Sin embargo, la mayoría de los materiales ferroeléctricos actuales están basados en el plomo, un elemento tóxico que plantea riesgos ambientales y sanitarios. En consecuencia, desde hace más de una década, la comunidad científica ha estado buscando alternativas libres de plomo que mantengan o incluso superen el rendimiento de los compuestos tradicionales.
El desafío de prescindir del plomo
Un ejemplo clásico de material ferroeléctrico basado en plomo es el titanato de zirconato de plomo (PZT), ampliamente utilizado por su estabilidad y capacidad de ser ajustado químicamente para optimizar sus propiedades. En estos materiales, se puede «sintonizar» la composición para alcanzar la frontera de fase ideal.
Pero al intentar aplicar estas mismas técnicas a materiales libres de plomo, los investigadores se encontraron con obstáculos inesperados. Los metales alcalinos utilizados, como el sodio, son altamente volátiles y pueden evaporarse durante los procesos químicos, dificultando el control de la estructura del material.
Un nuevo enfoque: usar tensión en lugar de química
Frente a esta dificultad, un equipo multidisciplinario liderado por Ruijuan Xu (North Carolina State University), junto con Laurent Bellaiche y Kinnary Patel de la Universidad de Arkansas, exploró una vía distinta: aplicar tensión mecánica para modificar la estructura del material.
El material elegido fue niobato de sodio (NaNbO3), un compuesto que ya se sabía que presentaba estructuras cristalinas complejas y flexibles a temperatura ambiente. En lugar de alterar su composición química o temperatura, los científicos hicieron crecer una delgada capa de niobato sobre un sustrato con una estructura distinta. Esta diferencia estructural forzó a los átomos del niobato a adaptarse, generando una tensión interna.
Como si se tratara de una cuerda elástica ajustándose a una clavija de forma extraña, los átomos del niobato se vieron obligados a estirarse o comprimirse. Este esfuerzo modificó su organización atómica, provocando algo inédito: la aparición simultánea de tres fases distintas dentro del mismo material.
Por qué tres fases son mejores que una
La coexistencia de varias fases en un material ferroeléctrico no es un detalle menor. Cada límite entre fases distintas actúa como un punto de refuerzo para las propiedades eléctricas y mecánicas. En otras palabras, cuantos más límites haya, más «zonas activas» tiene el material.
El hallazgo de tres fases simultáneas en el niobato de sodio significa que su rendimiento como material ferroeléctrico puede competir, o incluso superar, al de los compuestos con plomo. Esto representa un paso significativo hacia dispositivos más sostenibles y biocompatibles, con aplicaciones potenciales en sensores implantables y equipos médicos.
Laurent Bellaiche, uno de los líderes del estudio, destacó que esperaban una transición entre dos fases al aplicar tensión, pero no la coexistencia de tres. Esta sorpresa experimental confirmó que el niobato de sodio es especialmente sensible a pequeñas modificaciones de tensión, lo cual podría ser explotado en futuros dispositivos adaptables.
Qué sigue para esta investigación
El descubrimiento fue publicado en la revista Nature Communications bajo el título «Strain-induced lead-free morphotropic phase boundary». El próximo paso para el equipo será comprobar si este comportamiento se mantiene bajo temperaturas extremas, desde -270 °C hasta 1000 °C. Este punto es crucial para determinar la viabilidad del material en entornos industriales, espaciales o biomédicos.
Este enfoque también podría abrir la puerta a una nueva generación de materiales funcionales sin necesidad de procesos químicos complejos, simplemente manipulando la tensión mecánica durante la fabricación.
Un hito en la búsqueda de materiales más seguros
Esta investigación se suma a una tendencia global que busca materiales más seguros, no tóxicos y sostenibles para reemplazar componentes críticos de la electrónica moderna. La posibilidad de prescindir del plomo sin perder eficiencia representa un logro clave en esta dirección.
El niobato de sodio, con su sensibilidad a la tensión y capacidad de generar múltiples fases, podría convertirse en un pilar de los dispositivos del futuro. Y si se confirma su estabilidad a distintas temperaturas, las posibilidades de aplicación se multiplican.