[ad_1]
(noticias nanowerk) Los condensadores electrostáticos desempeñan un papel crucial en la electrónica moderna. Permiten carga y descarga ultrarrápidas, proporcionando almacenamiento de energía y potencia para dispositivos que van desde teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y enrutadores hasta dispositivos médicos, electrónica automotriz y equipos industriales. Sin embargo, los materiales ferroeléctricos utilizados en los condensadores tienen una pérdida de energía significativa debido a sus propiedades materiales, lo que dificulta proporcionar una alta capacidad de almacenamiento de energía.
Sang-Hoon Bae, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha abordado este desafío de larga data en el uso de materiales ferroeléctricos para aplicaciones de almacenamiento de energía.
En un estudio publicado en Ciencia (“Alta densidad de energía en heteroestructuras artificiales mediante modulación del tiempo de relajación”), Bae y sus colaboradores, incluido Rohan Mishra, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, y Chuan Wang, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas, ambos en WashU, y Frances Ross, profesora TDK de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, presentó un enfoque para controlar el tiempo de relajación (una propiedad interna del material que describe cuánto tiempo tarda la carga en disiparse o desintegrarse) de condensadores ferroeléctricos que utilizan materiales 2D.
Junto con Bae, el estudiante de posgrado Justin S. Kim y el investigador postdoctoral Sangmoon Han desarrollaron novedosas heteroestructuras 2D/3D/2D que pueden minimizar la pérdida de energía y al mismo tiempo preservar las ventajosas propiedades de los materiales ferroeléctricos 3D. Su enfoque conecta inteligentemente materiales 2D y 3D en capas atómicamente delgadas con enlaces químicos y no químicos cuidadosamente diseñados entre cada capa. Un núcleo 3D muy delgado se intercala entre dos capas 2D exteriores para crear una pila de sólo unos 30 nanómetros de espesor. Eso es aproximadamente una décima parte del tamaño de una partícula de virus promedio.
«Creamos una nueva estructura basada en las innovaciones que ya hemos realizado en mi laboratorio con materiales 2D («El material 2D transforma la electrónica 3D en hardware de IA»)», dijo Bae. «Al principio no nos centramos en el almacenamiento de energía, pero durante nuestra investigación sobre las propiedades de los materiales descubrimos un nuevo fenómeno físico que nos dimos cuenta de que podía aplicarse al almacenamiento de energía y que era muy interesante y potencialmente mucho más útil».
Las heteroestructuras 2D/3D/2D están cuidadosamente diseñadas para ubicarse en el rango de voltaje óptimo entre conductividad y no conductividad, donde los materiales semiconductores exhiben propiedades eléctricas óptimas para el almacenamiento de energía. Con este diseño, Bae y sus colaboradores informaron una densidad de energía hasta 19 veces mayor que los condensadores ferroeléctricos disponibles comercialmente y lograron una eficiencia superior al 90%, también sin precedentes.
«Descubrimos que el tiempo de relajación dieléctrica puede modularse o inducirse mediante un espacio muy pequeño en la estructura del material», explicó Bae. “Nunca antes habíamos visto este nuevo fenómeno físico. Nos permite manipular el material dieléctrico para que no se polarice y pierda su capacidad de cargarse”.
Mientras el mundo se enfrenta a la necesidad de hacer la transición a componentes electrónicos de próxima generación, el novedoso material de heteroestructura de Bae allana el camino para potentes dispositivos electrónicos, incluidos dispositivos electrónicos de alto rendimiento, sistemas de comunicación inalámbrica de alta frecuencia y chips de circuitos integrados. Estos avances son particularmente importantes en sectores que requieren soluciones sólidas de gestión de energía, como los vehículos eléctricos y el desarrollo de infraestructura.
«Básicamente, esta estructura que desarrollamos es un material electrónico novedoso», dijo Bae. “Aún no somos 100% óptimos, pero ya estamos superando a otros laboratorios. Nuestros próximos pasos serán mejorar aún más esta estructura material para satisfacer la necesidad de carga y descarga ultrarrápidas y densidades de energía muy altas en los condensadores. Necesitamos poder hacer esto sin perder capacidad de almacenamiento mediante recargas repetidas, de modo que este material se utilice ampliamente en grandes dispositivos electrónicos como vehículos eléctricos y otras tecnologías verdes emergentes”.
[ad_2]