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| Un investigador de la Universidad de Houston sostiene un nuevo sensor piezoeléctrico que funciona a temperaturas extremas y en condiciones ambientales adversas. Crédito: Universidad de Houston |
Para mantener la integridad de los sistemas mecánicos y la seguridad humana en entornos extremos, se necesitan sensores que midan y controlen diversas variables en circunstancias difíciles en varias industrias cruciales, como la aeroespacial, la energética, la del transporte y la de defensa.
Los entornos de varias industrias cruciales (aeroespacial, energía, transporte y defensa) requieren sensores que midan y controlen numerosos factores en condiciones difíciles para garantizar la seguridad humana y la integridad de los sistemas mecánicos.
En la industria petroquímica, por ejemplo, las presiones de las tuberías deben controlarse en climas que van desde el calor del desierto hasta el frío casi ártico. Varios reactores nucleares funcionan a 300-1000 grados Celsius, mientras que los pozos geotérmicos profundos mantienen temperaturas de hasta 600 grados Celsius.
Investigadores de la Universidad de Houston crearon un nuevo sensor piezoeléctrico que, según se ha confirmado, funciona a temperaturas de hasta 900 grados Celsius (1.650 grados Fahrenheit), la temperatura a la que entra en erupción la lava volcánica máfica.
"Unos sensores altamente sensibles, fiables y duraderos que puedan tolerar entornos tan extremos son necesarios para la eficacia, el mantenimiento y la integridad de estas aplicaciones", afirma Jae-Hyun Ryou, profesor asociado de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Houston.
El equipo de investigación de la UH ya había desarrollado un sensor de presión piezoeléctrico III-N con películas finas de nitruro de galio monocristalino (GaN) para aplicaciones en entornos hostiles. Sin embargo, la sensibilidad del sensor disminuye a temperaturas superiores a 350 grados Celsius, superiores a las de los transductores convencionales fabricados con titanato de circonato de plomo (PZT), pero sólo marginalmente.
El equipo supuso que la causa de la caída de la sensibilidad era una banda prohibida estrecha, es decir, la energía mínima necesaria para excitar un electrón y dar conductividad eléctrica. Para poner a prueba su hipótesis, crearon un sensor de nitruro de aluminio o AlN.
"La hipótesis quedó demostrada cuando el sensor funcionó a unos 1.000 grados centígrados, que es la temperatura de funcionamiento más alta entre los sensores piezoeléctricos", explica Nam-In Kim, primer autor del artículo y estudiante de posdoctorado que trabaja con el grupo de Ryou.
Aunque tanto el AlN como el GaN tienen características únicas y excepcionales que los hacen aceptables para su uso en sensores para entornos extremos, los investigadores se quedaron extasiados al descubrir que el AlN tenía un bandgap mayor y un rango de temperaturas más amplio. Sin embargo, los investigadores necesitaron ayuda para sintetizar y fabricar la fina película de AlN, flexible y de alta calidad.
El equipo tuvo que superar dificultades técnicas para sintetizar y fabricar AlN de película fina flexible y de alta calidad.
"Siempre me ha interesado fabricar dispositivos con distintos materiales y me encanta caracterizarlos. Trabajando en el grupo de Ryou, especialmente en dispositivos piezoeléctricos y materiales III-N, he podido utilizar los conocimientos que aprendí en mis estudios", afirma Kim, que se doctoró en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la UH en 2022.
Su premiada tesis versó sobre sensores piezoeléctricos flexibles para el cuidado de la salud personal y entornos extremos.
Y agregó: "Fue muy interesante ver el proceso que conduce a los resultados reales, y resolvimos los desafíos técnicos durante el desarrollo y la demostración del sensor."
Han demostrado con éxito el potencial de los sensores piezoeléctricos de alta temperatura con AlN, que pueden funcionar en atmósferas expuestas a neutrones y en rangos de alta presión.
Según Ryou, "nuestro plan es utilizar el sensor en varios escenarios difíciles. Por ejemplo, en centrales nucleares para exposición a neutrones y almacenamiento de hidrógeno para pruebas a alta presión, los sensores de AlN pueden funcionar en atmósferas expuestas a neutrones y a rangos de presión muy altos gracias a sus propiedades de material estable".
La flexibilidad del sensor aporta ventajas adicionales que lo harán apto para aplicaciones futuras, como sensores portátiles en artículos de control de la salud personal y su uso en robótica blanda de detección precisa.
Los investigadores esperan que su sensor pueda comercializarse en el futuro.
Kim afirma: "Es difícil poner una fecha concreta, pero creo que nuestro trabajo como ingenieros es conseguirlo lo antes posible".
Fuentes, créditos y referencias: