La supervivencia del ser humano se encuentra estrechamente relacionada con la energía para satisfacer sus necesidades básicas y mejorar su nivel de vida. La sociedad moderna depende cada vez más de la búsqueda e implementación de nuevas tecnologías energéticas fáciles de fabricar, sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, como alternativas a los combustibles fósiles (ej. carbón, petróleo, gas natural) y a los materiales basados en metales del grupo platino. Estas tecnologías energéticas se centran en el diseño de nuevos materiales con propiedades eléctricas, estructurales y funcionales mejoradas.
En este sentido, los óxidos conductores transparentes (TCO’s) y las aleaciones de alta entropía (HEA’s) han surgido como dos candidatos prometedores para producir materiales de alta densidad energética. En este artículo se analiza el estado actual de los TCO’s y las HEA’s, así como la dirección futura de estos materiales. Además, se hace una exploración de los objetivos específicos de fabricación para los que se podrían utilizar y se presenta una perspectiva multidisciplinaria en torno a las tecnologías energéticas emergentes.
Los óxidos conductores transparentes son materiales que integran dos propiedades excepcionales: una alta conductividad eléctrica y una elevada transparencia óptica. Estos materiales tienen características singulares, derivadas de sus amplias brechas de banda, lo que limita significativamente la absorción de la luz en el rango visible, permitiendo que la luz pase a través de ellos mientras conducen electricidad de manera eficiente como se ilustra en la Fig. 1a (Chavan et al., 2023).
Esta combinación única de propiedades convierte a los óxidos conductores transparentes (TCO’s), en elementos esenciales para diversas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, se emplean en celdas solares, donde facilitan la conversión de luz solar en energía eléctrica sin impedir el paso de la luz que se necesita capturar. También resultan fundamentales en dispositivos como diodos emisores de luz (LED), pantallas de cristal líquido (LCD), y sensores que deben operar en condiciones climáticas desafiantes (Fig. 2) (Hu, L et al., 2020).
Los óxidos conductores transparentes (TCO’s), son materiales cada vez más relevantes, utilizados como capas conductoras en dispositivos energéticos. Entre los TCO’s más comunes se encuentran el In2O3 dopado con estaño, el óxido de zinc dopado con aluminio y el óxido de estaño dopado con flúor. Su objetivo principal es alcanzar un rendimiento óptimo, que depende de la sinergia entre sus características optoelectrónicas y dieléctricas. Un TCO ideal debe permitir una transmisión de luz en la región UV-vis cercana al 90% y tener una resistividad menor a 0.1 Ω·cm, lo cual requiere satisfacer una combinación de propiedades complejas y mutuamente excluyentes (Minami, T., 2000).
Existen varios métodos para producir películas delgadas de TCO; entre los más utilizados se encuentran la pulverización catódica, la deposición química en fase de vapor, el proceso sol-gel y el rocío químico ultrasónico (Fig. 2). Cada técnica tiene características únicas en términos de escalabilidad, logística y costos, y la elección del método depende en gran medida de la aplicación específica que se desea lograr (Das, A. et al., 2020).
Por su parte, las aleaciones de alta entropía pertenecen a una clase distinta de aleaciones compuestas por una mezcla de diferentes elementos en proporciones cuasi-equimolares (5 al 35% atómico), a diferencia de las aleaciones tradicionales que están dominadas por un metal base con uno o dos elementos adicionales en menor cantidad, con la finalidad de obtener propiedades únicas que no se encuentran en aleaciones más simples (Luo et al., 2024). Las HEA’s se propusieron en 2004 y desde entonces ha habido un importante desarrollo en la investigación durante las dos décadas recientes.
En termodinámica, la entropía (S) es una magnitud que describe el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema. En el caso de una aleación, la entropía de mezcla o entropía configuracional se encuentra relacionada con el número de elementos que la componen y con la manera en que éstos se distribuyen en la red cristalina. La presencia de múltiples elementos incrementa significativamente la entropía configuracional de mezcla, favoreciendo la formación de soluciones sólidas simples en lugar de múltiples fases complejas. El término alta entropía indica que la magnitud de la entropía configuracional es mayor que la presentada en aleaciones convencionales, lo que da como resultado cuatro efectos fundamentales, a saber: distorsión reticular, efecto cóctel, efecto de alta entropía y difusión lenta (Fig. 3). La razón principal de estos efectos es el desajuste del tamaño atómico causado por la gran cantidad de elementos presentes en la aleación como se muestra en la Fig. 1 b (Kamal et al., 2024).
Las HEA’s muestran una alta resistencia mecánica y al desgaste, durabilidad, maleabilidad, excelente comportamiento frente a la corrosión y características térmicas mejoradas que los hacen aptos para una mayor variedad de aplicaciones. Sin embargo, la selección de los elementos es crucial para determinar las propiedades deseadas, lo que implica conocimientos teóricos, modelado computacional y validación experimental.
Antes de la fabricación de las HEA’s, se realizan modelos predictivos con herramientas computacionales. Se usa la teoría de funcionales de la densidad (DFT por sus siglas en inglés) para comprender su estructura electrónica; se utilizan simulaciones de dinámica molecular (MD) para comprender sus propiedades, y se realizan cálculos de diagramas de fases (CALPHAD) para comprender la estabilidad de la(s) fase(s) presente(s) (Fig. 3) (Dewangan et al., 2023). Después del diseño, la mayoría de las HEA’s se fabrican mediante fusión por arco, aunque también se han empleado técnicas de alta energía, como la molienda de bolas de alta energía (HEBM), la refusión por arco o inducción al vacío (VAR/VIR), así como procesos avanzados de manufactura aditiva, como la conformación de red diseñada por láser (LENS) (Marques et al., 2021) como se ilustra en la Fig. 3.
De manera general, Kamal agrupa las HEA’s en familias, de acuerdo con los elementos de la tabla periódica empleados: (1) Ligeras: aquellas que contienen Al, Li, Be, Ti, Mg y otros elementos cuyas densidades son inferiores a 6 g/cm³ orientadas a aplicaciones en el transporte, la energía, la industria aeroespacial y la aviación; (2) Refractarias: conformadas por V, Cr, Mo, Zr, Nb, Ta y W, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alta temperatura en industrias como la militar, nuclear y aeroespacial; (3) De transición: aquellos que combinan un mínimo de cuatro elementos como Al, Fe, Co, Cr, Mn, Cu, Ni y V con el objetivo de ofrecer una mayor estabilidad a temperaturas elevadas; (4) Preciosas: constituidos por Pt, Ru, Rh, Ir, Rh, Os y Pd, valoradas por su papel como catalizadores; e (5) Intersticiales: comprenden elementos como B, C y N, con aplicaciones en campos magnetocalóricos debido a su energía de anisotropía magnetocristalina, estructura de estado fundamental magnético y estabilidad termodinámica (Kamal et al., 2024).
A primera vista, los TCO’s y las HEA’s pueden parecer diferentes, ya que pertenecen a materiales con categorías distintas (semiconductores y aleaciones metálicas, respectivamente). Sin embargo, hay algunas similitudes entre ellos como se exhibe en la Fig. 4;
- Propiedades multifuncionales: ambos tipos de materiales están diseñados para ofrecer propiedades multifuncionales. Los TCO’s combinan la conductividad eléctrica con la transparencia óptica, lo que los hace útiles para aplicaciones en pantallas táctiles y como parte de las celdas solares, mientras que las HEA’s se caracterizan por una mezcla de varios elementos en proporciones equiatómicas, lo que resulta en propiedades mecánicas mejoradas, como alta resistencia, dureza y estabilidad a diferentes temperaturas.
- Diseño y composición: tanto los TCO’s como las HEA’s se diseñan con una composición específica para obtener propiedades deseadas. En el caso de los TCO’s, el dopaje con elementos específicos como el indio en el óxido de indio y estaño (ITO), permite ajustar la conductividad y la transparencia. En las HEA’s, la idea es combinar varios elementos con la finalidad de obtener una aleación con propiedades únicas.
- Tecnologías avanzadas: ambos tipos de materiales tienen aplicaciones en tecnologías avanzadas. Los TCO’s se utilizan en aplicaciones de visualización y en dispositivos que requieren tanto transparencia como conductividad. Las HEA’s, por su parte, se emplean en aplicaciones que requieren materiales con alta resistencia y estabilidad en condiciones extremas, como en componentes aeroespaciales y para el almacenamiento de energía (por mencionar algunos ejemplos).
Aunque los mecanismos que definen su funcionalidad y aplicaciones varían, tanto los TCO’s como las HEA’s comparten el enfoque de optimizar y combinar propiedades específicas para adaptarse a aplicaciones concretas. Ambos materiales son fundamentales en la transformación del sector energético. La tabla 1 destaca las características distintivas de cada uno, las cuales están impulsando cambios significativos en diferentes áreas de la industria energética y tecnológica.
La revisión de los conocimientos adquiridos a partir del estudio individual de los TCO’s y las HEA’s destaca cómo ambos materiales pueden abordar importantes necesidades sociales, con el objetivo de ofrecer tecnologías más limpias, rápidas, seguras y sostenibles en el ámbito energético.
Nuestro aprendizaje de esta breve revisión sobre los TCO’s y las HEA’s deriva una serie de expectativas e hipótesis sobre cómo emplear estos materiales bajo un enfoque de máxima eficiencia, alineando un programa de investigación integrador que podría, en algunos años, contribuir a un futuro más sostenible y eficiente en áreas de tecnología y energía.
En términos generales, el conocimiento actual proporciona evidencia clara que respalda la necesidad de continuar investigando y desarrollando estos materiales. Es crucial centrarse en la comprensión de los aspectos relacionados con la fabricación y la escalabilidad, para que estos avances puedan implementarse de manera efectiva y económicamente sostenible.
Referencias
Chavan, G. T., Kim, Y., Khokhar, M. Q., Hussain, S. Q., Cho, E. C., Yi, J., … & Jeon, C. W. (2023). A brief review of transparent conducting oxides (TCO): the influence of different deposition techniques on the efficiency of solar cells. Nanomaterials, 13(7), 1226.
Das, A., Das, G., Kabiraj, D., & Basak, D. (2020). High conductivity along with high visible light transparency in Al implanted sol-gel ZnO thin film with an elevated figure of merit value as a transparent conducting layer. Journal of Alloys and Compounds, 835, 155221.
Dewangan, S.K., Nagarjuna, C., Jain, R., Kumawat, R.L., Kumar, V., Sharma, A., Ahn, B. (2023). Review on applications of artificial neural networks to develop high entropy alloys: a state-of-the-art technique. Materials Today Communications, 37, 107298.
Hu, L., Wei, R. H., Tang, X. W., Lu, W. J., Zhu, X. B., & Sun, Y. P. (2020). Design strategy for p-type transparent conducting oxides. Journal of Applied Physics, 128(14).
Luo,L., Chen,L., Li, L., Liu, S., Li, Y., Li,C., Li, L., Cui, J., Li, Y. (2024). High-entropy alloys for solid hydrogen storage: a review. International Journal of Hydrogen Energy, 50 (D), 406-430.
Kamal, M.V., Ragunath, S.,Hema Sagar Reddy, M., Radhika,N., Saleh, B. (2024). Recent advancements in lightweight high entropy alloys – A comprehensive review. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 7 (5), 699-720.
Marques, F., Balcerzak, M., Winkelmann, F., Zepon, g., Felderhoff, M. (2021). Review and outlook on high-entropy alloys for hydrogen storage. Energy & Environmental Science,14, 5191-5227.
Minami, T. (2000). New n-type transparent conducting oxides. MRS bulletin, 25(8), 38-44.
*Foto de portada creada con Chat GPT
