Cerámicos avanzados

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Cimav, este equipo de investigadores desarrollan películas delgadas para memorias ferroeléctricas y ferromagnéticas aplicables a dispositivos electrónicos.

La tecnología que predomina hoy en día son las denominadas memorias magnéticas, las cuales, a pesar de ser eficientes, presentan ciertas limitaciones. En cambio, las memorias ferroeléctricas ofrecen mayores ventajas porque requieren poca energía, permiten gran velocidad de escritura, duplican su capacidad de almacenamiento de datos y no presentan daño en el dispositivo porque no contienen piezas móviles.

Actualmente, existe gran interés en el desarrollo de micro dispositivos electrónicos que permitan acoplamiento ferroeléctrico y ferromagnético con el objetivo de duplicar el almacenamiento de datos en memorias no volátiles. A nivel mundial se llevan a cabo grandes esfuerzos por desarrollar materiales que provean este acoplamiento pero en una sola estructura cristalina, por ello, equipos de investigadores dirigen sus trabajos hacia el desarrollo de esta tecnología y en el Cimav el área de cerámicos avanzados se encuentra realizando investigaciones enfocadas en el desarrollo de películas delgadas con propiedades ferroeléctricas (FE) y ferromagnéticas (FM).

Este tipo de películas se obtienen a partir de materiales a base de ferrita de bismuto dopada con diferentes cationes. La ferrita de bismuto es un material multiferroico que exhibe las propiedades ferroeléctrica y antiferromagnética; sin embargo, cuando se dopa con elementos de transición y alcalinotérreos (por ejemplo, níquel, bario y cobalto), cambia su propiedad antiferromagnética, convirtiéndose en un material ferromagnético. Adicionalmente, dopada con otros elementos la propiedad ferroeléctrica es aumentada. En este sentido ambas propiedades (FE y FM) son incrementadas del material de partida (ferrita de bismuto). Los investigadores del Cimav han logrado obtener las dos propiedades en una sola estructura cristalográfica, resultando esto en una reducción del costo de producción y brindando una ventaja tecnológica para la industria electrónica. En esta materia, los investigadores de este equipo han orientado su investigación en nuevos cerámicos de ferrita de bismuto en forma de heteroestructuras (películas bicapa ultra-delgadas) dopadas con Pr y Ba para aumentar la respuesta de acoplamiento ferroeléctrico y ferromagnético.

Además, estos especialistas desarrollaron un dispositivo capaz de realizar mediciones ferroeléctricas en esas eteroestructuras con electrodos de 50 micras de diámetro. El costo de este dispositivo representa solamente el 10% de uno comercial. El dispositivo es funcional, rápido, portátil y práctico, único en su tipo.

En este campo, el equipo esta trabajando en rutas para desarrollar nuevos materiales para su potencial aplicación en celdas de combustible de óxido sólido (SOFC, por sus siglas en inglés).

Las celdas SOFC pueden generar energía eléctrica a partir de la biomasa proveniente de desechos agrícolas, industriales e, incluso, de desperdicios urbanos. El proceso se produce a partir de la descomposición del gas metano, contaminante que emiten los desechos orgánicos, el cual al momento de entrar a la celda produce energía eléctrica. El desarrollo de esta tecnología abre en México el acceso a un mercado energético más amplio, el cual incluye la generación eléctrica en zonas rurales.

Debido a las condiciones climáticas en la zona norte del país, donde la temperatura es muy baja en invierno, estos sistemas pudieran funcionar en forma dual: calor y potencia. En invierno funcionaría como calefacción y generador de energía eléctrica, y en el verano como generador eléctrico.

Las celdas SOFC no producen contaminación ya que, como resultado de la reacción química, se obtiene vapor de agua y electricidad. Además, no eran aplicadas en sistemas móviles, sin embargo, una empresa automotriz ya logró desarrollar un vehículo que trabaja con este tipo de celdas. Esta tecnología se emplea con buenos resultados y en diversas aplicaciones en Japón, Alemania, Canadá y Estados Unidos. Para uso doméstico, son del tamaño de un refrigerador pequeño, trabajan como una planta de luz y funcionan con gas natural, metano, alcohol, hidrógeno y monóxido de carbono como combustible.

Una celda de combustible de óxido sólido esta compuesta por un cátodo, ánodo y electrolito. El proceso que llevan a cabo las celdas de combustible de óxido sólido se produce por una reacción química óxido/reducción a 1000°Celsius, la cual utiliza un electrolito cerámico en vez de una membrana líquida o polimérica. En el cátodo se produce la reducción del oxígeno, de manera que los iones se mueven a través del electrolito hacia el ánodo donde se da la reacción de oxidación del hidrógeno, generándose con ello una pérdida de electrones hacia el circuito externo, la cual puede emplearse, por ejemplo, para mover un automóvil o energizar cualquier sistema.

Las celdas de combustible de óxido sólido, duplican la eficiencia de los actuales sistemas convencionales para generar electricidad basados en el ciclo de Carnot.

Este equipo de investigadores del Cimav buscan desarrollar nuevos materiales que permitan disminuir la temperatura y el costo de esta tecnología. Además, los especialistas están en la etapa intermedia para desarrollar un dispositivo que, a través de un sistema, pueda medir la eficacia de la celda de combustible. En este sentido han construido un prototipo para medir celdas de combustible de óxido sólido hasta 1000°C usando diferentes combustibles. Los trabajos de investigación del Cimav han generado publicaciones en revistas con alto factor de impacto y han permitido formar capital humano especializado.