Investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB) de la Universidad Politécnica de Cataluña •BarcelonaTech (UPC), junto con otros científicos internacionales, han descubierto características únicas en los contactos que se dan entre superficies metálicas de materiales a escala nanométrica.
Los resultados de la investigación, publicados recientemente en las revistas de referencia internacional Science y Physical Review Letters, son clave para el diseño mecánico y el control del desgaste de microdispositivos, como los MEMS (sistemas microelectromecánicos).
Entre estos, se incluyen los que funcionan a temperaturas elevadas y los que tienen capas delgadas y que son empleados, por ejemplo, en microrobots para la liberación de fármacos en el cuerpo.
Las principales aplicaciones de estos microdispositivos y capas delgadas involucran áreas como la microelectrónica (ordenadores y otros aparatos electrónicos), la microfluídica, la optoelectrónica y la fotónica.
La investigación muestra nuevos defectos que se dan en los materiales a escala atómica, y que eran desconocidos hasta el momento. Esto explica la razón por la que ciertas superficies metálicas poseen mayor dureza que otras a escala nanométrica. El estudio también demuestra la influencia que ejerce la temperatura y la velocidad con la que impacta una superficie contra otra en el comportamiento de los nanocontactos.
El equipo de investigadores, encabezado por el profesor Jorge Alcalá, del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la UPC, ha estudiado por primera vez los procesos de plasticidad incipiente que producen daño permanente y desgaste en superficies metálicas de alta dureza.
El trabajo extiende el conocimiento actual para superficies metálicas blandas a otros materiales que, por su mayor dureza, resultan de interés en la ingeniería de superficies, como el hierro (Fe), el tántalo (Ta), el wolframio (W) o el molibdeno (Mo).
Generar información mediante presión
Por otro lado, la investigación ha puesto de relieve que los grandes gradientes de deformación que se producen en los nanocontactos pueden ser utilizados para producir una respuesta eléctrica en una capa delgada de un material con propiedades piezoeléctricas.
Los científicos han demostrado una nueva manera de escribir bits de información digital en sistemas de almacenamiento de datos, mediante un fenómeno que se conoce como flexoelectricidad y que ha sido utilizado de forma innovadora. Este fenómeno permite controlar la polarización eléctrica de la capa delgada, mediante el acoplamiento electromecánico que se induce en los nanocontactos. Ello puede llevar a mejorar la eficiencia del proceso de escritura en dichos sistemas de almacenamiento.
El mecanismo que han utilizado los científicos convierte la presión mecánica en información, ya que la flexoelectricidad replica, a escala nanométrica, el funcionamiento de una máquina de escribir. Habitualmente, los sistemas de almacenamiento de información utilizan procesos magnéticos de grabación, pero según los resultados de la nueva investigación, se puede obtener el mismo efecto mediante la variación de las deformaciones inducidas por una punta de un microscopio de fuerzas atómicas sobre el material.
Dicho descubrimiento abre el camino para aumentar la capacidad de memoria y la robustez de los discos duros y otras aplicaciones, donde los bits de información podrían ser escritos mecánicamente y leidos eléctricamente.
En la primera parte de la investigación han participado el Dr. Juergen Biener, del Lawrence Livermore National Laboratory, y la profesora Andrea Hodge, de la University of Southern California. En la escritura de bits mediante flexolectricidad, los investigadores de la UPC han colaborado con el Dr. Gustau Catalán, del Instituto Catalán de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA), y el profesor Alexei Gruverman, de la University of Nebraska.
Referencias bibliográficas
Jorge Alcalá, Roger Dalmau, Oliver Franke, Monika Biener, Juergen Biener, Andrea Hodge, Planar defect nucleation and annihilation mechanisms in nanocontact plasticity of metal surfaces, Physical Review Letters 109, 075502 (2012).
H. Lu, C.-W. Bark2, D. Esque de los Ojos, J. Alcala, C. B. Eom, G. Catalan, A. Gruverman. Mechanical Writing of Ferroelectric Polarization. Science. Vol. 336 no. 6077 pp. 59-61.