Cargando el teléfono móvil mientras paseo
La piezoelectricidad es un fenómeno físico que aparece en ciertos materiales sólidos tales como cristales, algunos cerámicos y ciertos materiales biológicos como el hueso. Cuando un material piezoeléctrico es sometido a estrés mecánico, este se polariza y adquiere una diferencia de potencial y carga eléctrica en su superficie. Este fenómeno, descubierto por los hermanos Curie en 1880, tiene innumerables aplicaciones como pueden ser la producción y detección de sonido o la generación de alto voltaje. Además, la piezoelectricidad está en la base de técnicas instrumentales científicas con resolución atómica, como son los microscopios de efecto túnel o de fuerza atómica. En todas estas aplicaciones, el material piezoeléctrico empleado tiene dimensiones en la escala macroscópica. Sin embargo, algunas predicciones teóricas hablaban de la posibilidad de que este fenómeno ocurriera también en materiales con alguna de sus dimensiones disminuida a la escala atómica.
El pasado día quince de este mes, investigadores de la Universidad de Columbia y del Instituto Tecnológico de Georgia presentaron al mundo la primera lámina de disulfuro de molibdeno (MoS2) que en formato 2D (una de las dimensiones espaciales es reducida a unos pocos átomos mientras que las otras dos permanecen con tamaños macroscópicos) presenta comportamiento piezoeléctrico. Quizá una de las cuestiones más sorprendentes es que un bloque de disulfuro de molibdeno no presenta comportamiento piezoeléctrico; es sólo cuando se dispone de un espesor atómico, cuando la piezoelectricidad se manifiesta. Estos investigadores han mostrado que, al someter a láminas de MoS2 2D con un número impar de capas atómicas a ciclos de deformación-relajación, se produce un voltaje piezoeléctrico oscilante y se obtiene corriente eléctrica mientras que no se observa nada si las láminas presentan un número par de capas (el material es altamente polar por lo que un número par de capas cancela el efecto neto). En las condiciones de máxima potencia, una lámina monoatómica deformada en un 0.53% genera una diferencia de potencial de 15 mV para una intensidad de corriente 20 pA (1 pA equivale a 10-12 A), correspondiente a una potencia generada por unidad de superficie de 2 mW m-2 y a una eficiencia del 5.08 % en la conversión de energía mecánica en eléctrica. Además, en consonancia con las predicciones teóricas efectuadas, eficiencia se incrementa conforme se disminuye el espesor y la diferencia de potencial cambia de signo cuando la dirección de deformación se rota 90º.
Este descubrimiento otorga a los materiales 2D nuevas propiedades físicas con lo que se amplía el abanico de posibles aplicaciones. Se da la casualidad de que uno de los investigadores de este proyecto, James Hone, fue la persona que hace seis años demostró que el grafeno, otro increíble material 2D formado de carbono, es el material más resistente que existe en el mundo. En el caso del disulfuro de molibdeno 2D, su comportamiento piezoeléctrico, unido a su transparencia óptica, a su enorme ligereza y a su deformabilidad y flexibilidad mecánicas le convierten en un generador eléctrico único. Este material, dicen sus descubridores, podría servir para aplicaciones portátiles, quizá integradas en la ropa, para convertir energía del movimiento de tu cuerpo en electricidad y cargar sensores portátiles o dispositivos médicos o, quizá, proporcionar suficiente energía para cargar el teléfono móvil en tu bolsillo.
Referencia:
Wu W, Wang L, Li Y, Zhang F, Lin L, Niu S, et al. Piezoelectricity of single-atomic-layer MoS2 for energy conversion and piezotronics. Nature. 2014 10/23;514(7523):470-4.