Investigadores de la UPV/EHU han estudiado las propiedades de superelasticidad a escala nanométrica a base de tallar pilares de una aleación hasta dimensiones nanométricas. En el artículo publicado por la prestigiosa revista científica Nature Nanotechnology los investigadores han constatado que por debajo de una micra de diámetro el material se comporta de manera diferente y requiere una tensión mucho más elevada para conseguir deformarlo. Este comportamiento superelástico abre nuevas vías en la aplicación de microsistemas de electrónica flexible y microsistemas implantables en el cuerpo humano.

La superelasticidad es una propiedad física por la que se puede deformar un material en gran medida, hasta un 10% —un porcentaje muchísimo mayor que en la elasticidad—, de forma que aplicando una tensión a una varilla recta, esta puede formar una U, y al eliminar la tensión aplicada, la varilla recupera completamente su forma inicial. Aunque está más que probada en materiales macroscópicos, “hasta ahora nadie había podido estudiar estas propiedades de superelasticidad en dimensiones micrométricas y nanométricas”, explica José María San Juan, investigador principal del artículo publicado por Nature Nanotechnology y catedrático de la UPV/EHU.

Investigadores del Departamento de Física de la Materia Condensada y de Física Aplicada II de la UPV/EHU han conseguido ver que “el efecto superelástico se mantiene en dispositivos realmente pequeños de una aleación de cobre-aluminio-níquel”. Se trata de una aleación con memoria de forma en la que el equipo de investigación lleva más de 20 años trabajando a nivel macroscópico: Cu-14Al-4Ni, una aleación que muestra superelasticidad a temperatura ambiente.

Pilares construidos con la aleación de Cu-Al-Ni, cada uno de los cuales tiene aproximadamente 500 nm (medio micrómetro) de diámetro. (José María San Juan / UPV/EHU).

Utilizando un equipo denominado Focused Ion Beam, “un cañón de iones que actúa como una especie de cuchillo atómico que talla el material”, explica San Juan, han construido micropilares y nanopilares de esta aleación de diámetros comprendidos entre 2 µm y 260 nm —un micrómetro es una millonésima parte de un metro y un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro— a los que han aplicado una tensión con un sofisticado equipo llamado nanoindentador, que “permite aplicar fuerzas extremadamente pequeñas” y han medido su comportamiento.

Los investigadores han constatado y cuantificado por primera vez que en diámetros menores de un micrómetro hay un cambio notable de las propiedades relacionadas con la tensión crítica para la superelasticidad: “El material se empieza a comportar de manera diferente y requiere una tensión mucho más elevada para que se produzca. La aleación sigue presentando superelasticidad pero para tensiones más elevadas”. San Juan remarca la novedad de ese incremento de la tensión crítica con el tamaño, y subraya, además, que han podido explicar la razón de dicho cambio de comportamiento: “Hemos propuesto un modelo atómico que permite entender por qué y cómo cambia la estructura atómica de estos pilares cuando se les aplica una tensión”.

 Iñaki López-Ferreño, Jose M. San Juan, Maria L. Nó y Jose F. Gómez-Cortés.

El catedrático de la UPV/EHU destaca la importancia de este descubrimiento, “un comportamiento superelástico espectacular a pequeña escala”, que abre nuevas vías en el diseño de estrategias de aplicación de aleaciones con memoria de forma para el desarrollo de microsistemas y nanosistemas electromecánicos flexibles. “La electrónica flexible está muy presente en el mercado actual, se utiliza cada vez más en prendas de vestir, zapatillas de deporte, en diversos displays…”. Asimismo, afirma que todo ello es de suma importancia para el desarrollo de dispositivos inteligentes médico-sanitarios implantables en el cuerpo humano, del tipo Lab on a chip o laboratorio en un chip: “Se podrán construir pequeñas microbombas o microactuadores que se puedan implantar en un chip, que permitan liberar y regular una sustancia dentro del cuerpo humano para diversos tratamientos médicos”.

Se trata de un descubrimiento que “se espera que tenga una gran repercusión científica y tecnológica y que pueda revolucionar ciertos aspectos en campos afines”, concluye San Juan, y se congratula de que “hemos sido capaces de transferir todo el conocimiento necesario y de conseguir las herramientas de trabajo que tienen los centros más avanzados para abrir una nueva línea de investigación con la capacidad de desarrollarla íntegramente en la UPV/EHU”.

El catedrático de la UPV/EHU José María San Juan Nuñez es responsable del grupo Metalurgia Física del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU. Esta investigación ha contado con la colaboración del Departamento de Física Aplicada II de la UPV/EHU, del Departamento de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Cádiz y del CIC nanoGUNE.

Jose F. Gómez-Cortés, Maria L. Nó, Iñaki López-Ferreño, Jesús Hernández-Saz, Sergio I. Molina, Andrey Chuvilin and Jose M. San Juan. “Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale”. Nature Nanotechnology. May 2017. DOI: 10.1038/nnano.2017.91

http://rdcu.be/s5li

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