La inestabilidad de los metales logra una nanotecnología eficiente en energía

Computadoras que caben en nuestros bolsillos, pantallas de televisión no más gruesas que una puerta, y autos solo un poco más grandes que sus pasajeros, la tecnología se hace cada vez más pequeña. Una razón importante para esta miniaturización es el desarrollo de resonadores de tamaño nanométrico, que convierten pequeños niveles de potencia eléctrica en oscilaciones mecánicas a altas frecuencias.

"Los resonadores nanoelectromecánicos se utilizan en todo tipo de tecnología moderna. Puede que no los vea, pero se pueden encontrar en robótica, herramientas médicas y sensores ambientales", dice el profesor Hidezaku Tanaka de la Universidad de Osaka, que está desarrollando nuevas nanotecnologías.

A principios de este año, Tanaka y su equipo de investigación informaron sobre un nanocable independiente que podría reducir la demanda de potencia de los nano resonadores en un factor de cien.

"Los metales de transición se someten a un aislante para la transición del metal. Hicimos nanocables independientes hechos de dióxido de vanadio (VO2) que tenían un alto rendimiento a baja potencia".

La transición de fase puede ocurrir al inyectar energía eléctrica en los cristales de VO2. Debido a que la respuesta mecánica a la potencia no es lineal, Tanaka demostró que se podían usar niveles de energía sin precedentes para generar una respuesta mecánica desproporcionadamente fuerte. Tanaka descubrió que el carácter independiente del cable es clave, ya que de lo contrario la no linealidad y, por lo tanto, la eficiencia energética era mucho menor.

"Construir el nanocable independiente no fue fácil. Los óxidos de metal son muy rígidos y quebradizos. Podríamos fabricar los nanohilos creándolos con óxido de magnesio (MgO) y luego grabando la capa de MgO".

En su última publicación, el equipo de colaboración del grupo Tanaka, el grupo del profesor Daniele Marré en Italia y el Dr. Nicola Manca en el grupo de los Países Bajos determinaron qué tan simple podría ser la construcción de nano resonadores utilizando sus nanocables independientes VO2. Debido a las propiedades electromecánicas de los cristales de VO2 y su diseño independiente, los nanocables podrían generar oscilaciones mecánicas a frecuencias de MHz utilizando nada más que una simple fuente de alimentación de CC. Esta conversión eficiente de energía eléctrica en trabajo mecánico reduce la necesidad de dispositivos electrónicos dedicados, lo que permite la creación de sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) incluso más pequeños que los que se utilizan actualmente.

Los nanocables dependen de las oscilaciones espontáneas en la señal eléctrica causada por las transiciones de fase en el VO2. Estas oscilaciones eléctricas hacen que los nanocables de VO2 también oscilen, pero el acoplamiento electromecánico no lineal significa que esa potencia en la escala nanométrica puede generar oscilaciones de VO2 a frecuencias de MHz. El equipo demostró que la energía adicional para las oscilaciones del cristal viene en forma de calor causado por la energía eléctrica.

"Configuramos nuestro diseño para que el efecto Joule se localizara en un espacio de VO2 expuesto. Encontramos que la fuente de energía para la respuesta mecánica está dominada por disipaciones térmicas y no por energía eléctrica", dijo Tanaka.

El diseño de un NEMS que explota eficientemente el calor generado por las transiciones de fase brinda un nuevo paradigma para las tecnologías energéticamente eficientes.

"Nuestro sistema es simple y escalable. Abre la posibilidad de realizar NEMS que tienen conmutación rápida y funcionan con una fuente de alimentación de CC".

Fuentes: 
Yoshiyuki Higuchi, Teruo Kanki, Hidekazu Tanaka. Joule-heat-driven high-efficiency electronic-phase switching in freestanding VO2/TiO2 nanowires. Applied Physics Express, 2017; 10 (3): 033201 DOI: 10.7567/APEX.10.033201

Nicola Manca, Luca Pellegrino, Teruo Kanki, Warner J. Venstra, Giordano Mattoni, Yoshiyuki Higuchi, Hidekazu Tanaka, Andrea D. Caviglia, Daniele Marr�. Selective High-Frequency Mechanical Actuation Driven by the VO2 Electronic Instability. Advanced Materials, 2017; 1701618 DOI: 10.1002/adma.201701618