La ciencia de los materiales interdisciplinarios, una clave para el progreso

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La investigación interdisciplinaria de materiales es la clave para resolver los desafíos existenciales que enfrenta la humanidad, dijo la exejecutiva de los Laboratorios Nacionales Sandia, Julia M. Phillips, a los investigadores que se reunieron para el Simposio anual del Día de los Materiales del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT el mes pasado.

"Lo que es muy emocionante para nosotros como investigadores de materiales, y también un poco frustrante, es que el impacto real de los materiales ocurre cuando se convierten en algo que realmente llevas en el bolsillo o lo que sea", dijo Phillips en el evento del 11 de octubre. .

Durante la segunda mitad del siglo XX, muchos de los avances tecnológicos que damos por sentado hoy en día, como las computadoras portátiles y los teléfonos inteligentes, provinieron de avances fundamentales en la investigación de materiales y la capacidad de controlar y fabricar materiales, dijo. Phillips, quien se jubiló de Sandia National Laboratories como vicepresidente y director de tecnología, también se desempeña como presidente de la Junta Asesora Externa de MRL y es miembro de la Junta Nacional de Ciencias.

MRL se formó a partir de la fusión del Centro de procesamiento de materiales y el Centro de ciencia e ingeniería de materiales, que entró en vigencia el 1 de octubre. En sus comentarios introductorios, el director de MRL, Carl V. Thompson, destacó el nombramiento de Geoffrey SD Beach, profesor asociado. de ciencia e ingeniería de materiales como codirector de MRL e investigador principal del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias.

Impulsada por las necesidades industriales y la investigación financiada por el gobierno en la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, "la investigación de materiales fue sin duda un modelo temprano para la investigación interdisciplinaria", dijo Phillips. Con nuevas herramientas como los microscopios de sonda de barrido para comprender la estructura y las propiedades de los materiales, los científicos de materiales de la última mitad del siglo XX crearon clases completamente nuevas de materiales y productos, que van desde superaleaciones que permitieron motores a reacción más grandes y confiables hasta superredes de capas que subyacen a los detectores infrarrojos, láseres y registros magnéticos modernos.

Las ganancias futuras provendrán de la capacidad de sintetizar y controlar materiales cada vez más complejos, dijo Phillips, y destacó el progreso en áreas como los superconductores de alta temperatura, los sólidos porosos como las estructuras metalorgánicas y los metamateriales que generan nuevas propiedades a partir de la combinación de materiales biológicos, orgánicos, cerámicos. , y metales con una precisión cercana a la escala molecular en formas que no se encuentran en la naturaleza.

"En algún lugar del espacio borroso entre moléculas y materiales", estos materiales más nuevos tienen propiedades muy interesantes que aún están en proceso de ser exploradas por completo, y serán explotadas en los próximos años, señaló Phillips. "Es muy claro para muchas personas que estos también serán transformadores a medida que avanzamos".

El enfoque de investigación de materiales, que reúne a investigadores de diferentes campos de la ciencia y la ingeniería para resolver problemas complejos, proporciona un modelo para resolver los desafíos del siglo XXI en energía, medio ambiente y sostenibilidad; atención de la salud y medicina; vulnerabilidad a las amenazas humanas y naturales; y expandir y mejorar la capacidad humana y la alegría. "Estos son ejemplos, pero se pueden ver materiales escritos en toda esta lista, y yo diría que cualquier lista comparable que se le ocurra tendría materiales escritos por todas partes", dijo Phillips. "Para abordar esos grandes desafíos, realmente necesitamos poder tratar sistemas complejos de manera realista que reúnan todas estas disciplinas de las ciencias, de la ingeniería, de las ciencias sociales y del comportamiento, y posiblemente incluso de las artes".

El progreso en la comprensión científica y el modelado computacional están acelerando la capacidad de los investigadores para predecir la estructura y las propiedades de nuevos materiales antes de fabricarlos, dijo Phillips.

Los miembros de la facultad del MIT Antoine Allanore, Polina Anikeeva, A. John Hart, Pablo Jarillo-Herrero, Juejun Hu y Jennifer Rupp presentaron actualizaciones de investigación sobre su trabajo reciente que abarca una variedad de materiales en capas ultrafinas para nuevos dispositivos electrónicos y sondas de nivel celular. para el cerebro y la médula espinal hasta métodos a mayor escala para la impresión 3D y el procesamiento de metales.

Fusión de materiales 2-D con CMOS

El profesor asociado de física Pablo Jarillo-Herrero apila capas bidimensionales atómicamente delgadas de diferentes materiales para descubrir nuevas propiedades. El laboratorio de Jarillo-Herrero demostró fotodetectores, células solares y el LED más delgado del mundo. Con materiales como el seleniuro de tungsteno, cambiar el número de capas también cambia sus propiedades electrónicas. Aunque el grafeno en sí mismo no tiene una banda prohibida, la alineación estrecha de las redes de grafeno y nitruro de boro abre una banda prohibida de 30 milivoltios en el grafeno, dijo.

"Tiene un control electrónico completo con voltajes de compuerta", dijo Jarillo-Herrero. Utilizando ditellurida de molibdeno bicapa, que es 10 000 veces más delgada que una celda solar de silicio, demostró en un trabajo publicado en Nature Nanotechnology que un fotodetector de solo 10 nanómetros de espesor puede integrarse en una guía de ondas de cristal fotónico de silicio. final de su procesamiento CMOS [semiconductor de óxido de metal complementario], y no tiene que hacer ninguna fabricación adicional, ningún crecimiento adicional, simplemente puede colocarlo encima", explicó Jarillo-Herrero. "Se puede hacer tan delgado como 4 nanómetros, por lo que sigue siendo ultradelgado, y tienes un alto grado de control en una plataforma ultradelgada. Todo es semitransparente para que podamos ver la luz entrar y salir". Estos nuevos dispositivos pueden funcionar en longitudes de onda de telecomunicaciones ajustando la banda prohibida del material.

materiales de cambio de fase

Juejun "JJ" Hu, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de Merton C. Flemings, está reduciendo el consumo de energía, reduciendo el tamaño del dispositivo y aumentando la velocidad de procesamiento con combinaciones innovadoras de materiales que alternan entre dos estados sólidos o fases diferentes, como como una aleación de germanio, antimonio, selenio y telurio. Estos materiales son la base para el almacenamiento no volátil, lo que significa que su estado de memoria se conserva incluso cuando se apaga la alimentación. Hu colaboró ​​​​con el profesor Jeffrey C. Grossman y el ex postdoctorado Huashan Li para identificar los materiales deseables para estas aleaciones a partir de los cálculos de los primeros principios, y el estudiante graduado de ingeniería y ciencia de materiales Yifei Zhang hizo gran parte del trabajo experimental.

Una generación anterior de dispositivos basados ​​en germanio, antimonio y telurio (GST) sufre pérdidas debido a la absorción de luz por parte del material. Para superar este problema, Hu sustituyó parte del telurio con un elemento más ligero, el selenio, creando una nueva estructura de cuatro elementos de germanio, antimonio, selenio y telurio (GSST). "Aumentamos la banda prohibida para suprimir la absorción de longitud de onda corta y, de hecho, minimizamos la movilidad de cualquier operador para mitigar la absorción del operador libre", explicó. El cambio entre los estados amorfo y cristalino se puede activar con un pulso láser o una señal eléctrica.

Aunque el cambio de estado estructural ocurre en el orden de 100 nanosegundos, descubrir las técnicas para lograrlo tomó un año de trabajo, dijo Hu. Específicamente, descubrió que el uso de materiales que cambian entre estados amorfos y cristalinos permite que la luz se dirija por dos caminos diferentes y reduce el consumo de energía. Acopló este material de cambio de fase óptico GSST con microrresonadores de nitruro de silicio y guías de ondas para mostrar este comportamiento. Estos interruptores basados ​​en materiales de cambio de fase se pueden conectar en una matriz para permitir el control variable de la luz en un chip. En última instancia, Hu espera utilizar esta tecnología para construir circuitos integrados fotónicos reprogramables.

Nuevas herramientas para la exploración del cerebro

Clase de 1942 Profesora Asociada en Ciencia e Ingeniería de Materiales Polina Anikeeva trabaja en la frontera entre los dispositivos sintéticos y el sistema nervioso. Los dispositivos electrónicos tradicionales, con la dureza de un cuchillo, pueden desencadenar una respuesta de cuerpo extraño en el tejido cerebral, que normalmente es tan suave como el pudín o el yogur. Trabajando con el profesor Yoel Fink y otros colegas del MIT, Anikeeva desarrolló dispositivos basados ​​en polímeros blandos para estimular y registrar la actividad del cerebro y el tejido de la médula espinal a partir de técnicas de dibujo de fibra óptica.

Una primera versión de sus fibras multifuncionales incluía tres elementos clave: electrodos compuestos de carbono y polietileno conductor para registrar la actividad de las células cerebrales; una guía de ondas de policarbonato transparente con revestimiento de copolímero de olefina cíclica para proporcionar luz; y canales microfluídicos para administrar fármacos.

"Usando esta estructura, por primera vez, pudimos registrar, estimular y modular farmacológicamente la actividad neuronal", dijo Anikeeva. Pero el dispositivo registró la actividad de grupos de neuronas, no de neuronas individuales. Anikeeva y su equipo abordaron este problema integrando grafito en los electrodos compuestos de polietileno, lo que aumentó su conductividad lo suficiente como para encogerlos en una estructura tan delgada como un cabello humano. El dispositivo tiene seis electrodos, una guía de ondas ópticas y dos canales microfluídicos.

Sin embargo, agregar grafito aumentó el tamaño y la dureza del dispositivo de policarbonato vítreo, por lo que su grupo recurrió a un nuevo proceso que utiliza polímeros elásticos y gomosos que luego recubrieron con una malla de nanoalambres metálicos conductores. "Esta malla de nanocables metálicos conductores puede mantener una baja impedancia incluso con una tensión del 100 por ciento, y mantiene su integridad estructural sin cambios hasta un 20 por ciento de tensión, lo que es suficiente para que podamos operar en la médula espinal", dijo Anikeeva.

Sus estudiantes implantaron estas fibras recubiertas de malla de nanocables en ratones, lo que les permitió estimular y registrar la actividad neuronal en la médula espinal. Un video mostró a un ratón moviendo su pata trasera cuando una señal óptica enviada a la médula espinal lumbar viajó por el nervio ciático hasta el músculo gastrocnemio. En estos experimentos, el dispositivo implantado en ratones no mostró disminución en el rendimiento un año después de la cirugía, dijo Anikeeva.

Más recientemente, Anikeeva desarrolló nanopartículas a base de óxido de hierro que se calientan en un campo magnético aplicado, lo que puede desencadenar una respuesta de las neuronas en el cerebro que expresan canales iónicos que son sensibles al calor, como el receptor de capsaicina, el mismo mecanismo que se activa cuando comemos pimientos picantes. Experimentando con ratones, Anikeeva inyectó estas diminutas partículas en lo profundo del cerebro en una sección que está asociada con la recompensa.

"En nuestro laboratorio, comenzamos modelando la histéresis en nanopartículas magnéticas, sintetizando una amplia gama de estos nanomateriales mediante la ingeniería de óxido de hierro con dopantes y observando diferentes tamaños y formas, desarrollando electrónica de potencia y un conjunto de herramientas biológicas para evaluar este proceso". explicó Anikeeva. "En este caso, no hay cableado externo, ni cables, ni implantes, nada sobresale del cerebro... Sin embargo, ahora pueden percibir el campo magnético". ella dijo. Para cuantificar sus resultados, los investigadores midieron la entrada de iones de calcio en las neuronas. El trabajo ahora se centra en acortar el tiempo de respuesta a unas pocas milésimas de segundo mejorando la producción de calor de las nanopartículas magnéticas.

Cerámica para baterías de estado sólido, sensores de dióxido de carbono y computación memristiva

Jennifer LM Rupp, profesora asistente de Thomas Lord de ciencia e ingeniería de materiales, presentó una investigación que muestra que un electrolito de granate de litio sólido puede conducir a baterías miniaturizadas en un chip de circuito integrado.

Las preocupaciones de seguridad con respecto a las baterías de litio se derivan de su componente líquido, que sirve como electrolito y presenta un riesgo de incendiarse en el aire. Reemplazar el electrolito líquido por uno sólido podría hacer que las baterías sean más seguras, explicó Rupp. Su investigación muestra que un material cerámico hecho de granate, un material que quizás sea más familiar como una piedra preciosa, puede hacer pasar litio de manera efectiva a través de la celda de una batería, pero debido a que es sólido, puede ser muy seguro para las baterías y también tiene la oportunidad de ser miniaturizados a arquitecturas de película delgada. Este granate es un compuesto de cuatro elementos de litio, lantano, circonio y oxígeno.

"El litio está completamente encapsulado; no hay riesgo de inflamación", dijo Rupp.

En una investigación publicada, Rupp demostró que emparejar un ánodo de óxido de litio y titanio con un electrolito de granate cerámico y difuminar la interfaz entre los dos materiales permitió un tiempo de carga de batería mucho más rápido para celdas a gran escala. Las lecciones aprendidas de la aplicación de estos materiales de granate apuntaron también a un nuevo uso para la detección de dióxido de carbono.

"Podemos reconfigurar los electrodos para tener un electrodo que simplemente sirva de referencia y otro que experimente una reacción química con el dióxido de carbono, y usamos un potencial de seguimiento para rastrear el cambio efectivo de la concentración de dióxido de carbono en el medio ambiente en función del procesamiento a granel. ," Ella explicó. Rupp también está desarrollando materiales multicapa tensos para mejorar el almacenamiento de elementos informáticos y de memoria memristiva.

Frontera para metales a alta temperatura

El Profesor Asociado de Metalurgia Antoine Allanore señaló que de 1980 a 2010, el mundo casi duplicó su consumo de materiales, con el crecimiento más rápido en metales y minerales. Tal demanda se debe al formidable bajo costo y la alta productividad del procesamiento de materiales. La mayoría de estos procesos implican en alguna etapa una operación a alta temperatura y, a menudo, el estado fundido de la materia. El desarrollo de la ciencia y la ingeniería del estado fundido brinda enormes oportunidades, por ejemplo, la gestión del calor en procesos de alta temperatura, como la extracción de metales y la fabricación de vidrio. de acero a un costo de menos de 32 centavos por kilogramo. "La productividad es en realidad el criterio clave para que el procesamiento de materiales sea exitoso e importante a la escala del desafío de agregar 2 mil millones de personas en los próximos 20 años", dijo.

El grupo de Allanore demostró que el sulfuro de estaño a alta temperatura, alrededor de 1.130 grados centígrados, es un generador termoeléctrico eficaz. "Tenemos indicios de que la cifra de mérito teórica para algunos sulfuros puede ser de hasta 1 a 1130 [grados Celsius]. Para el sulfuro de cobre fundido, por ejemplo, tenemos estimaciones de la conductividad térmica, el punto de fusión y tenemos un costo eso es un poco alto en mi opinión, pero esa es la naturaleza de la investigación", dijo Allanore. Cuando su grupo analizó los datos existentes, descubrió que para muchos compuestos fundidos de azufre y un metal, como el estaño, el plomo o el níquel, la figura termoeléctrica de mérito, así como las fases de composición, nunca se habían cuantificado, lo que abrió una frontera. para la investigación en ciencia de nuevos materiales a alta temperatura.

"En realidad, es muy difícil saber cuáles son las verdaderas propiedades del líquido", dijo Allanore. "Necesito saber si ese material tendrá semiconductividad. Necesito saber si será más denso o más liviano que otro líquido... En realidad, no tenemos métodos computacionales para predecir tal propiedad para líquidos a alta temperatura".

Para abordar el problema, Allanore estudió la relación en los fundidos a alta temperatura entre las propiedades de transporte, incluida la conductividad eléctrica y los coeficientes de Seebeck, y una propiedad termodinámica llamada entropía. "Hemos elaborado un modelo teórico que conecta la propiedad de transporte, como la energía térmica, y la propiedad termodinámica como la entropía. Esto es importante porque funciona para semiconductores, funciona para materiales metálicos y, lo que es más importante, permite descubrir regiones de inmiscibilidad en líquidos", dijo Allanore. La inmiscibilidad significa que un material en la condición dada se separará en dos fases que no se mezclan y permanecen separadas.

Allanore también ha desarrollado un nuevo método para observar compuestos fundidos como la alúmina, utilizando un horno de zona flotante, que es un tubo de cuarzo transparente ubicado a la distancia focal de cuatro lámparas. "Si podemos hacer eso con óxidos, realmente nos gustaría hacerlo con sulfuros", explicó, mostrando una imagen de sulfuro de estaño fundido sobre una placa de grafito en el horno de zona flotante. La amplia gama de temperaturas y propiedades de los materiales fundidos, "el estado final de la materia condensada", permite una mejor gestión del calor, temperaturas de procesamiento más altas y recolección de electricidad o control eléctrico del flujo de calor, dijo.

imprimiendo en 3D un nuevofabricaciónmodelo

La fabricación tradicional requiere economías de escala, en particular, grandes volúmenes de producción debido a los costos fijos necesarios para configurar el proceso de producción, pero la impresión 3D y otras tecnologías de fabricación aditiva ofrecen una alternativa de productos y dispositivos personalizables de alto rendimiento, Associate Dijo el profesor de Ingeniería Mecánica A. John Hart.

La fabricación aditiva ya es un negocio de $ 6 mil millones al año con un alcance que va desde los efectos especiales de Hollywood hasta las boquillas de los motores a reacción de alta tecnología. "La fabricación aditiva ya permite una colección diversa de materiales, aplicaciones y procesos relacionados, incluida la extrusión de plásticos, la fusión de metales, el uso de láser y reacciones químicas coordinadas que esencialmente se realizan con un control puntual", explicó Hart.

"Podemos pensar en acceder a nuevos espacios en términos del valor de los productos que creamos utilizando la fabricación aditiva, también conocida generalmente como impresión 3D. La impresión 3D está remodelando los ejes por los que juzgamos la viabilidad económica de un proceso de fabricación. , y permitiéndonos acceder a nuevos espacios de valor. Por ejemplo, podemos pensar no solo en el volumen de producción, sino pensar en ventajas en complejidad de geometrías, y ventajas por personalización de productos a mercados específicos o incluso individuos. De esta manera, 3- La impresión D está influyendo en todo el ciclo de vida del producto", dijo Hart.

Por ejemplo, el grupo de Hart estudió las impresoras 3D existentes para descubrir cómo acelerar el proceso de aproximadamente 60 minutos a solo 5 a 10 minutos para imprimir una pieza mecánica portátil, como un engranaje. El ex estudiante graduado Jamison Go, SM '15 dirigió este trabajo, dijo Hart, construyendo una impresora 3-D de escritorio del tamaño de un pequeño horno de microondas. El sistema cuenta con un sistema de control para el cabezal de impresión que mueve los motores a la esquina; un mecanismo de extrusión que impulsa el filamento de polímero de materia prima como un tornillo; y un láser que penetra y funde el polímero.

"Al combinar el control de movimiento rápido, la alta transferencia de calor y la alta fuerza, podemos superar los límites del sistema existente", explicó Hart. El nuevo diseño es de tres a 10 veces más rápido en velocidad de construcción que las máquinas existentes.

"Este tipo de pasos hacia adelante también pueden cambiar la forma en que pensamos sobre la producción de objetos. Si puedes hacer algo rápido, puedes pensar en cómo podrías, o cómo podrían otros, funcionar de manera diferente", dijo. Mencionó, por ejemplo, a los médicos que pueden necesitar imprimir una pieza en 3D para una operación médica de emergencia, o a un técnico de reparación que podría usar una impresora 3D en lugar de tener un inventario de muchas piezas de repuesto.

El grupo de Hart está trabajando actualmente en colaboración con Oak Ridge National Lab en algoritmos para la optimización de trayectorias de herramientas de impresión 3D y adaptando sus innovaciones a impresoras 3D a gran escala. "Podemos pensar en ampliar estos principios a sistemas de alta productividad que no solo impriman cosas pequeñas sino que impriman cosas grandes", dijo Hart.

Hart también ha trabajado con la impresión 3D de celulosa, que se puede utilizar para la personalización de productos de consumo y dispositivos antimicrobianos, y es el polímero natural más abundante del mundo. Co-fundó la empresa Desktop Metal con otros tres profesores del MIT y Ric Fulop, SL '06, quien se desempeña como director ejecutivo de Desktop Metal. "La compañía tiene solo dos años y pronto lanzará su primer producto que permite un enfoque completamente nuevo para la impresión 3D en metal", dijo Hart.

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