Nicola Spaldin

Nicola Spaldin (Easington, Regne Unit, 1969), química de formació, ha rebut el premi L’Oréal-Unesco 2017 per reinventar materials magnètics per la propera generació de dispositius electrònics.

Dades biogràfiques  
Nascuda a Easington, Regne Unit, com Nicola Ann Hill. Els seus pares portaven un centre de senderisme. Nicola es va afeccionar ben d’hora als espais oberts i a descobrir els territoris del seu voltant fent escalada, esquí de fons i muntanyisme. La seva afecció tampoc és aliena a que estudiés geologia juntament amb química a la universitat de Cambridge, on es va graduar el 1991. Entre 1991 i 1996, va fer el doctorat en química a la universitat de Califòrnia, Berkeley (Estats Units), en semiconductors i materials magnètics, estudiant-los a nivell molecular i atòmic. Quan buscava un tema d’investigació postdoctoral va trobar el professor Karin Rabe del departament de física aplicada de la universitat de Yale i es va traslladar d’un departament de química a un altre de física aplicada. En realitat no va ser un canvi d’especialitat ja que va estar sempre dins del seu interès per la física de materials.

Sempre ha tingut múltiples centres d’interès, com investigadora, escriptora, professora o administradora en el seu treball i escaladora, esquiadora i clarinetista en el seu temps lliure. Li agrada el treball multi-disciplinar i ha après molt sobre «com ensenyar» de la seva activitat no professional. Per exemple, diu, els músics tenen una perspectiva de l’ensenyament diferent de la que s’utilitza a la ciència.
(2) (4)

Carrera científica
Entre 1997 i 2011 va ser professora a la universitat de Califòrnia, Santa Barbara. L’any 1997 va començar a treballar en els materials multiferroics. Primer va fer estudis teòrics a través de models computacionals i després (2003), va aconseguir fabricar una fina làmina de ferrit de bismut (BiFeO3), que és ara el material multiferroic més estudiat.

L’any 2011 va anar com a cap del grup de Teoria de Materials de la universitat Politècnica Federal Suïssa de Zuric. Aquest prestigiós institut politècnic fundat el 1885, compta amb 21 premis Nobel guanyats per els seus investigadors, entre els que es compta Albert Einstein.

Ha guanyat nombrosos premis i distincions, americans i europeus. Entre els darrers, el premi Körber 2015, dotat amb 750.000 €, concedit anualment per la Fundació Körber d’Hamburg, Alemanya, per investigacions innovadores amb un gran potencial d’aplicació, o el premi L’Oréal-Unesco 2017, concedit per «la seva recerca sobre materials multiferroics, que podria conduir a una nova generació de components d’equipaments electrònics».
(1) (3) (4) (5)

Nicola Spaldin. Imatge de (3)

Investigació: materials multiferroics
Durant la seva estada a Yale, 1997, treballant amb materials ferroelèctrics, un company del laboratori li comenta que no existeixen materials magnètics ferroelèctrics, és a dir, aquells que presenten alhora característiques ferromagnètiques i ferroelèctriques en la mateixa fase. Nicola es demana: Com és que no existeixen materials magnètics ferroelèctrics? Aquesta pregunta es converteix per Nicola en la pregunta més interessant del món i la fa objecte de ser el tema central de la seva investigació quan, pocs mesos després, comença com professora adjunta (assistant professor) a la universitat de Califòrnia, Santa Barbara. Nicola, sense fer cas de consells que li recomanaven que es dediqués a una línia d’investigació més segura, que li permetés publicar i anar fent mèrits en la seva carrera, comença a estudiar les enciclopèdies de materials magnètics juntament amb l’únic llibre existent sobre ferroelectricitat i descobreix que aquests materials impossibles ja tenen un nom: materials multiferroics.

Aprofitant la seva formació i experiència en teoria d’estructura electrònica, Nicola Spaldin es dedica a crear models computacionals dels virtuals materials magnètics ferroelèctrics, per estudiar les seves propietats i el 2000 publica l’article titulat: «Per què hi ha tan pocs magnètics ferroelèctrics» (6), que suposa una primera exposició teòrica detallada de les característiques d’aquests materials. Spaldin explica que aquests materials són rars perquè, d’entrada, les estructures electròniques dels elements que presenten aquestes propietats són contràries: la ferroelectricitat requereix que estiguin buits uns determinats nivells electrònics (orbitals d) i el ferromagnetisme requereix que aquests nivells estiguin parcialment ocupats. Els materials que presentin alhora ambdues propietats hauran de tenir una de les propietats a travès d’un mecanisme alternatiu, per exemple. El març de 2001, Nicola Spaldin va organitzar la primera sessió mai feta sobre materials multiferroics, durant la trobada anual de la Societat Americana de Física, que va donar lloc a moltes altres posteriorment.

El primer gran èxit arriba però 3 anys més tard, quan el 2003, en col·laboració amb Ramamoorthy Ramesh (nascut a Índia, especialista en materials de la universitat de Califòrnia Berkeley), va aconseguir fabricar una làmina prima de ferrit de bismut (BiFeO3), que ara és el material multiferroic més estudiat. La publicació de la troballa va fer que molts grups de recerca i laboratoris industrials s’interessessin per els multiferroics i que Nicola Spaldin fos coneguda com «the multiferroics lady».

Els nous materials multiferroics tenen un gran interès per la possibilitat de produir modificacions magnètiques a travès només d’un potencial elèctric. Això permetrà sistemes informàtics ultra-ràpids,  extremadament reduïts i altament eficients energèticament.
(3) (5) (6)

Darrers avenços en materials multiferroics
El passat setembre de 2016, científics de la universitat de Cornell, Ithaca, New York, EE.UU, han publicat un article a la revista Nature en el que donen compta d’un material, superxarxa li diuen, formada per LuFeO3 / FeO, que mostra propietats magnetoelèctriques a una temperatura de 281 K. Les xuperxarxes però estan per ara restringides als laboratoris d’investigació. S’espera que els sistemes informàtics fabricats amb aquests materials consumeixin fins a 100 vegades energia elèctrica que els actuals.
(10) (9)

Glosari
Ferromagnetisme, ferroelectricitat
Ferromagnetisme és el fenomen per el qual certes substàncies presenten un moment magnètic espontani, que pot ser anul·lat per aplicació d’un camp magnètic extern. La modificació del moment magnètic no depèn només del camp magnètic extern sinó també de la «història» de la imantació prèvia del material, el que dona lloc al conegut com cicle d’histèresi (12). Els imants naturals, formats per un mineral de ferro com la magnetita per exemple, són coneguts des de l’època de la Grècia antiga. El prefix «ferro» de la paraula ferromagnetisme es refereix justament a que els primers imants naturals descoberts tenien ferro en la seva composició, però són també ferromagnètics el cobalt i el niquel i compostos sense ferro.

Ferroelectricitat és el fenomen per el qual certes substàncies presenten una polarització elèctrica espontània, que pot ser anul·lada per aplicació d’un camp elèctric extern. També presenten un cicle d’histèresi quan són sotmesos a un camp elèctric extern contrari a la seva polaritat. La ferroelectricitat va ser descoberta el 1920. Els efectes ferroelèctrics i ferromagnètics depenen de la temperatura i no es presenten per sota d’una determinada temperatura, la temperatura de Curie.
(7) (8)

Materials magnetoelèctrics
Són materials en els que es pot induir polarització elèctrica per l’aplicació d’un camp magnètic i polarització magnètica per l’aplicació d’un camp elèctric. Aquest fet, anomenat efecte magnetoelèctric, ja va ser conjecturat per Pierre Curie el 1894, però no va ser fins l’any 1959 que va ser trobada una explicació teòrica (I. Dzyaloshinskii) i una confirmació experimental (D. Astrov). L’efecte pot trobar-se en materials purs com l”oxid de crom (Cr2O3) o en compòsits (agregats de diferents materials). Quan es presenten alhora ambdues polaritzacions i existeix acoblament dels dos camps, magnètic i elèctric, es parla de materials multiferroics.

El 1973 s’havien trobat uns 80 compostos magnetoelèctrics, però ha estat recentment quan aquests materials s’estan estudiant abastament, per superar alguns inconvenients per el seu ús, com són, que s’obtenen a molt altes pressions i que les propietats magnètiques apareixen per sota de la temperatura ambient.
(11)

Fonts d’informació utilitzades
(1)  Nicola Spaldin rep el premio L’Oréal 2017 en París. 23.03.2017. Escola Federal Politècnica de Zuric.  http://www.theory.mat.ethz.ch/news-and-events/theory-news/2017/03/nicola-spaldin-receives-loral-unesco-for-women-in-science-award.html
(2) Nicola Spaldin. Physics Central. American Physical Society. 2017.
http://www.physicscentral.com/explore/people/spaldin.cfm
(3) ETH professor Nicola Spaldin receives the 2015 Körber Prize. Press release. 03.06.2015
https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2015/06/koerber-prize.html
(4) Escola Federal Politècnica de Zuric.
http://www.theory.mat.ethz.ch/people/person-detail.html?persid=177264
(5) Nicola Spaldin, «Multiferroics and me». Science. Careers. 16.06.2015.
http://www.sciencemag.org/careers/2015/06/multiferroics-and-me
(6) Why Are There so Few Magnetic Ferroelectrics?
Nicola A. Hill (l’any 2000 Nicola Spaldin es deia Nicola Hill)
Materials Department, University of California, Santa Barbara, California 93106-5050
J. Phys. Chem. B, 2000, 104 (29), pp 6694–6709
http://www.esmf.ethz.ch/speakers/spaldin1-ppt
(7) Ferroelectricity. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectricity
(8) Cicle d’histèresi magnètica.
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/2750/2957/html/24_histresis_magntica.html
(9) Francisco R. Villatoro. «Una superred multiferroica que es magnetoeléctrica casi a temperatura ambiente» 27.09.2016.   http://francis.naukas.com/2016/09/27/un-material-multiferroico-magnetoelectrico-a-temperatura-ambiente/
(10) ‘Atomic sandwiches’ could make computers 100X greener. Science Daily. 04.10.2016.
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161004134840.htm
(11) Magnetoelectric materials:  https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoelectric_effect

Aquesta entrada ha esta publicada en Dones científiques, física, materials. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.