Un nuevo estudio realizado por un grupo internacional de investigadores ha revelado que el diamante tiene la capacidad de conducir electricidad de manera similar a los metales cuando se deforma a nivel nano. Este fascinante descubrimiento fue liderado por la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur (NTU Singapur) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos.
Utilizando simulaciones informáticas, los investigadores han demostrado por primera vez pruebas de concepto que demuestran que al aplicar tensión mecánica a nanoagujas de diamante, estas pueden cambiar de manera reversible su geometría y, por ende, sus propiedades eléctricas. Esto les confiere una conductividad similar a la de los metales a temperatura y presión ambiente.
Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America el 5 de octubre de 2020, este estudio podría tener futuras aplicaciones en la electrónica de potencia, empleada en una amplia gama de dispositivos como electrodomésticos, automóviles, redes inteligentes, dispositivos ópticos, LED de alta eficiencia y detección cuántica, mejorando y potenciando las capacidades actuales de los sensores.
Los autores principales de este estudio son el presidente de la NTU y profesor Subra Suresh, el profesor del MIT Ju Li y el investigador principal del MIT Ming Dao. También participaron en el estudio Zhe Shi, estudiante de posgrado del MIT, y Evgenii Tsymbalov y el profesor Alexander Shapeev de Skoltech.
Estos hallazgos son el resultado de un descubrimiento experimental realizado previamente por un equipo de investigación conformado por NTU, la Universidad de Hong Kong y el MIT, liderado por el profesor Suresh. En un artículo publicado en la revista Science en 2018, el profesor Suresh informó que las nanoagujas de diamante, que son aproximadamente mil veces más delgadas que un cabello humano, pueden ser estiradas y dobladas de manera significativa sin sufrir daños al liberar la tensión.
La extraordinaria dureza y rigidez del diamante, así como sus características físicas extremas, lo convierten en un material de elección para diversas aplicaciones. Este último descubrimiento ofrece nuevas oportunidades para utilizar el diamante de manera innovadora en campos como la electrónica de potencia, la información cuántica y la fotónica, incluyendo el diseño de fotodetectores, emisores y sensores cuánticos altamente eficientes, así como aplicaciones de imágenes biomédicas.
La capacidad de diseñar la conductividad eléctrica del diamante sin modificar su composición química y estabilidad proporciona una flexibilidad sin precedentes para personalizar sus funciones. Los métodos desarrollados en este estudio podrían aplicarse a una amplia gama de otros materiales semiconductores de interés tecnológico en aplicaciones mecánicas, microelectrónicas, biomédicas, energéticas y fotónicas a través de la ingeniería de deformación. Esto fue destacado por Subra Suresh, distinguido profesor y presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur.
Los materiales que permiten el paso de corriente eléctrica de manera fácil se conocen como conductores eléctricos, mientras que aquellos que no lo hacen, como el diamante, se denominan aislantes eléctricos.
La mayoría de las formas de diamante son buenos aislantes eléctricos debido a su brecha de energía, también conocida como banda prohibida, de 5,6 electronvoltios (eV). Esto significa que se requiere una gran cantidad de energía para activar los electrones en el material y permitirles comportarse como portadores de corriente eléctrica. Una brecha de energía más pequeña en el diamante facilita el flujo de corriente.
Con la ayuda de simulaciones por computadora que involucraron análisis de deformación mecánica, mecánica cuántica y aprendizaje automático, los investigadores descubrieron que es posible reducir la brecha de energía del diamante de 5,6 eV a cero mediante la deformación elástica de nanoagujas de diamante. Al aplicar presión sobre las nanoagujas de diamante, se observó que la banda prohibida se estrechaba, lo que indicaba una mayor conductividad eléctrica. Incluso se observó que la banda prohibida desaparecía por completo cuando se aplicaba la máxima tensión que las agujas de diamante podían soportar antes de romperse.
Este descubrimiento abre la puerta a nuevas posibilidades para el uso del diamante en dispositivos con características y rendimiento incomparables. Se puede lograr que el diamante tenga una banda prohibida similar al silicio, ampliamente utilizado como semiconductor, o al nitruro de galio, utilizado en LED. Además, se podrían desarrollar detectores de infrarrojos y dispositivos de detección de luz que abarquen todo el espectro, desde el infrarrojo hasta la luz ultravioleta.
Si bien esta investigación aún se encuentra en una fase temprana, presenta oportunidades emocionantes para el desarrollo de dispositivos prometedores en campos como la electrónica de potencia, la información cuántica y la fotónica. El diamante, con sus propiedades únicas y su capacidad para conducir electricidad cuando se deforma a nivel nano, podría revolucionar la tecnología y abrir nuevas fronteras en la ciencia de materiales.
Este estudio demuestra una vez más el potencial inmenso que se encuentra en la naturaleza y cómo podemos aprovecharlo para impulsar el avance científico y tecnológico. El diamante, considerado el mineral más preciado del mundo, no solo deslumbra por su belleza, sino que también sorprende con sus propiedades eléctricas y su capacidad para superar límites previamente establecidos.
