Los componentes plásticos y las placas de circuito son particularmente propensos a sufrir daños debido a los cambios en el volumen durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. Pero si un material pudiera incorporarse en los componentes que compensan la expansión, las tensiones se reducirían y su vida útil aumentaría.
Todo el mundo conoce un material que se comporta de esta manera: el agua líquida se expande cuando se congela y el hielo se contrae cuando se derrite. Pero el agua líquida y la electrónica no se mezclan bien; en cambio, lo que se necesita es un sólido con «expansión térmica negativa» (NTE).
En términos de materiales y funciones, estos esfuerzos solo han tenido un éxito limitado. Los materiales experimentales se habían producido bajo condiciones de laboratorio especializadas utilizando equipos costosos; e incluso entonces, los rangos de temperatura y presión en los cuales exhibirían NTE estaban fuera de las condiciones normales de la vida diaria. Además, la cantidad que expandieron y contrajeron dependía de la dirección, lo que indujo tensiones internas que cambiaron su estructura, lo que significa que la propiedad NTE no duraría más que unos pocos ciclos de calentamiento y enfriamiento.
Un equipo de investigación dirigido por Koshi Takenaka de la Universidad de Nagoya ha logrado superar estos desafíos de ingeniería de materiales. Inspirado en la serie de trabajos de Noriaki Sato, también de la Universidad de Nagoya, cuyo descubrimiento el año pasado de la superconductividad en cuasicristales fue considerado uno de los diez principales descubrimientos físicos del año por la revista Physics World. Y su sulfuro, el monosulfuro de samario (SmS), que se sabe que cambia la fase de la «fase negra» a la «fase dorada» de menor volumen.
El problema fue ajustar el rango de temperaturas en el que se produce la transición de fase. La solución del equipo fue reemplazar una pequeña proporción de átomos de samario con otro elemento de tierras raras, dando Sm1-xRxS, donde «R» es uno de los elementos de tierras raras de cerio (Ce), neodimio (Nd), praseodimio (Pr) o itrio (Y). La fracción x que usó el equipo fue típicamente de 0.2, excepto para el itrio. Estos materiales mostraron una «expansión térmica negativa gigante» de hasta el 8% a la presión normal de la habitación y un rango útil de temperaturas (alrededor de 150 grados), incluso a temperatura ambiente y superior. El cerio es el candidato estrella aquí porque es relativamente barato.
Si bien el logro de ingeniería del grupo de la Universidad de Nagoya es impresionante, la forma en que funciona la expansión negativa es fascinante desde un punto de vista fundamental de la física. Durante la transición negro-dorado, la estructura cristalina permanece igual, pero los átomos se acercan: el tamaño de la célula unitaria se vuelve más pequeño porque (como es muy probable, pero tal vez aún no está 100% seguro), la estructura electrónica de los átomos del samario cambia y hace más pequeños: un proceso de transferencia de carga intraatómica denominado «transición de valencia» o «fluctuación de valencia» dentro de los átomos del samario. «Mi impresión», dice el profesor Takenaka, «es que la correlación entre el volumen de la red y la estructura electrónica del samario se verifica experimentalmente para esta clase de sulfuros».
Más específicamente, en la fase negra (temperatura más baja), la configuración electrónica de los átomos del samario es (4f) 6, lo que significa que en su capa más externa tienen 6 electrones en los orbitales f (con los orbitales s, pyd llenos); mientras que en la fase dorada, la configuración electrónica es (4f) 5 (5d) 1 -un electrón se ha movido de un orbital 4f a un orbital 5d. Aunque una capa «superior» está empezando a estar ocupada, resulta que, a través de una peculiaridad del Principio de Exclusión de Pauli, el segundo caso da un tamaño de átomo más pequeño, lo que lleva a un tamaño de cristal más pequeño y una expansión negativa.
Pero esto es solo una parte de la imagen fundamental. En la fase negra, el sulfuro de samario y sus ramificaciones dopadas son aislantes: no conducen la electricidad; mientras que en la fase dorada se convierten en conductores (es decir, en metales). Esto sugiere que durante la transición de fase negro-dorada, la estructura de la banda de todo el cristal influye en la transición de la cenefa dentro de los átomos del samario. Aunque nadie ha hecho los cálculos teóricos para los sulfuros de samario dopados realizados por el grupo del profesor Takenaka, un estudio teórico previo indicó que cuando los electrones abandonan el orbital de los átomos del samario, dejan un «agujero» cargado positivamente que, a su vez, interactúa de forma repulsiva con los agujeros.
En la banda de conducción del cristal, afectando su interacción de intercambio. Esto se convierte en un efecto cooperativo que luego impulsa la transición de valencia en los átomos del samario. El mecanismo exacto, sin embargo, no se entiende bien.
«Lo que es importante para muchos ingenieros es la capacidad de utilizar el material para reducir las fallas del dispositivo debido a la expansión térmica», explica el profesor Takenaka. «En resumen, en un cierto rango de temperatura: el rango de temperatura en el que opera el dispositivo previsto, generalmente un intervalo de decenas de grados o más, el volumen debe disminuir gradualmente con un aumento de la temperatura y aumentar a medida que la temperatura desciende. Por supuesto, también sé que la expansión de volumen en el enfriamiento durante una transición de fase (como la congelación de agua) es un caso común para muchos materiales.
Sin embargo, si el volumen cambia en un rango de temperatura muy estrecho, no hay un valor de ingeniería. El presente logro es el resultado de la ingeniería de materiales, no de la física pura”. Entonces podríamos decir que tal vez, incluso, anuncia una nueva era «dorada» para la electrónica.
