¿Estas tocando algo?, ¿observas?, ¿sientes?...
Así es, si miras a tu alrededor todo lo que puedes percibir con la mirada de manera objetiva, lo puedes tocar, y al mismo tiempo sentir su superficie, si es rugoso, liso, frío, etc.; esto implica que todo lo tangible está hecho de algún tipo de material, desde lo más común como: papel, cartón, tela, aluminio, plástico, hasta lo más complejo como: fibra de carbono, fibra de vidrio, aleaciones, fluidos magnetoreológicos, etc.
Existen diversos tipos de materiales, y la utilización de uno u de otro depende de la aplicación que tendrá el objeto a diseñar, considerando características como: resistencia, dureza, color, elasticidad, rigidez, ciclos de uso, acabado, condiciones climáticas y campos de esfuerzos a los que estará sometido, etc.
Hoy hablaremos de un tipo de materiales específico, los materiales piezoeléctricos, estos materiales juegan un papel importante en nuestra vida cotidiana, porque son capaces de generar energía eléctrica a partir de energía mecánica, y los encontramos presentes en varios artículos que utilizamos, por ejemplo: encendedores, herramientas odontológicas, altavoces de agudos (tweeters), basculas; para los que nos desenvolvemos en el mundo de la tecnología, este tipo de materiales los encontramos en: los cristales que usamos con los microcontroladores, sensores, transductores, etc.
Al ocurrir tal fenómeno (piezoelectricidad) con estos materiales, sin duda alguna se abre un área de oportunidad para la generación de energías alternas y nuevos productos que ayuden a tener una vida más amena y tranquila...
Materiales piezoeléctricos
¿Qué es la piezoelectricidad?
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por Jacques y Pierre Curie. Los hermanos Curie descubrieron que cuando se aplicaba una tensión a ciertos cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio y la sal Rochelle, aparecía una carga eléctrica, y su voltaje era proporcional a la tensión. De los materiales mencionados, solo el cuarzo se utiliza hoy en día comercialmente. Todos los demás cristales piezoeléctricos importantes desde el punto de vista práctico se obtienen de forma artificial.
Piezoelectricidad: es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquieren una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.
Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto.
Los materiales piezocerámicos tienen la propiedad de ser rígidos y dúctiles, por lo que son buenos candidatos para emplearlos como actuadores, debido a su gran módulo de elasticidad, lo cual facilita el acoplamiento mecánico con la estructura. En cambio, los piezopolímeros están mejor preparados para actuar como sensores porque añaden una rigidez mínima a la estructura dada su flexibilidad y además son de fácil elaboración. La forma más habitual de emplearlos es como sensores de contacto y transductores acústicos en forma de lámina delgada.
Los materiales piezoeléctricos han sido embebidos en materiales compuestos en aplicaciones como la amortiguación de vibraciones o la detección de impactos (como en los airbags, donde el material detecta la intensidad del choque y envía una señal eléctrica que activa el airbag).
Un ejemplo interesante es el de los sensores piezoeléctricos de distribución constante como es el caso de las pinturas piezoeléctricas o inteligentes. Este tipo de pintura puede prepararse utilizando polvo cerámico a base de titanato zirconato de plomo como pigmento y con resina epóxica como aglomerante. La mezcla se aplica sobre una superficie y se cura y polariza a temperatura ambiente. La película de pintura resultante actúa como un sensor de vibraciones y emisiones acústicas para la superficie entera.
Grupos piezoeléctricos:
Se distinguen dos grupos de materiales:
- Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, etcétera (figuras 1.1 y 1.2).
- Los denominados ferroeléctricos: tantalato de litio,nitrato de litio (fig. 1.3), berlinita (fig. 1.4), en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que tras ser sometidos a polarización adquieren propiedades piezoeléctricas, ya como microcristales orientados.
Figura 1.1; Cuarzo, es un mineral compuesto de sílice (SiO2). Tras el feldespato es el mineral más común de la corteza terrestre estando presente en una gran cantidad de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. Destaca por su dureza y resistencia a la meteorización en la superficie terrestre.


Figura 1.2; Turmalina, es un mineral de la clase VIII (silicatos), según la clasificación de Strunz, grupo de los ciclosilicatos. Tiene una formulación química muy compleja: (Na,Ca)(Al,Fe,Li)(Al,Mg,Mn)6(BO3)3(Si6O18).(OH,F)4.
Figura 1.3; Nitrato de litio, compuesto químico de sal del anión nitrato de litio , de fórmula química LiNO3 . Es una sal blanca a ligeramente amarillo, delicuescente.
Figura 1.4; Berlinita, es un mineral de la clase de los minerales fosfatos. Fue descubierta en 1868 en una mina de la provincia de Värmland (Suecia), siendo nombrada así en honor de Nils J. Berlin, farmacólogo sueco.
A continuación en la figura 1.5 se muestra esquemáticamente el efecto piezoeléctrico:

Figura 1.5; Efecto piezoeléctrico.
En el efecto piezoeléctrico directo, la compresión y la expansión de un material genera cargas eléctricas opuestas sobre las caras respectivas de la muestra. En el efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de un voltaje a un material piezoeléctrico produce una cierta deformación.
Aplicaciones:
- Altavoces de agudos (tweeters: pequeños altavoces).
- Cápsula (pick-up) de tocadiscos.
- Mecheroseléctricos.
- Encendido electrónico de calefonesy estufas a gas.
- Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los ecógrafos).
- Transductor piezoeléctrico.
- Transformadores piezoeléctricos.
- Destartradoresodontológicos de ultrasonido, para remoción del tártaro o "sarro" interdental.
- Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales sucede en los encendedores eléctricos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico al cual golpea bruscamente el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa, que enciende el mechero.
- Otra aplicación importante de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida.
- Fácilmente se ha convertido una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra.
- Carreteras que generan energía. Septiembre 2010.
En Israel, ingenieros del centro tecnológico Innowattech han creado un nuevo tipo de material para carreteras, basado en unos cristales piezoeléctricos, para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito con un grosor muy fino. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 kW por kilómetro.
- Desarrollan una tecnología para cargar el móvil solo con la energía del cuerpo humano. Marzo 2009.
Científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, encabezados por el profesor Zhong Li Wang, han logrado captar la energía del entorno convirtiendo en electricidad vibraciones de baja frecuencia como los movimientos del cuerpo, del latido del corazón o del viento. Para ello utilizan nanocables piezoeléctricos de óxido de zinc cuyo diámetro es una vigésimo quinta parte del de un cabello humano. Según Wang, la ventaja de esta tecnología es que los nanocables pueden fijarse con facilidad a muchos tipos de superficies, por lo que los nanogeneradores funcionan igualmente en el aire o en un medio líquido si su envoltorio es el adecuado. También pueden colocarse sobre metales, polímeros, la ropa e incluso en tiendas de campaña. Los nanogeneradores tendrán múltiples aplicaciones en los campos de la defensa, el medioambiente, la biomedicina y la electrónica en general, añadió Wang.
De momento, el principal desafío es aumentar su voltaje. Según el profesor, una vez puedan aumentar su voltaje de 0,5 a 1 voltios habrá importantes aplicaciones en muchos campos. El científico dijo que espera que de aquí a cinco años se pueda utilizar este sistema para hacer funcionar un reproductor mp3, un pequeño ordenador portátil o un teléfono móvil.
- Nuevas técnicas en cirugía odontológica. Julio 2009.
La atrofia ósea severa con la consiguiente neumatización progresiva del seno maxilar puede hacer difícil la inserción de implantes dentales en ciertos pacientes. En este grupo de pacientes anatómicamente comprometidos, la colocación de los implantes dentales en una posición ideal puede verse dificultada por una altura, una anchura y una calidad no adecuada del hueso maxilar. La osteotomía Le Fort I con interposición de injerto óseo se ha demostrado como un concepto excelente para la rehabilitación dental de pacientes que precisan técnicas de cirugía preprotésica avanzada.
El grupo de investigación de Mario Muñoz Guerra, del Hospital Universitario La Princesa (UAM), ha ideado una técnica novedosa que incide en el aspecto trascendente de la preservación de la integridad del seno maxilar y de la mucosa del suelo de las fosas nasales, realizando una modificación de los procedimientos previamente descritos e incidiendo en la utilidad del dispositivo piezoeléctrico (aparato que gracias a oscilaciones ultrasónicas tridimensionales controladas permite un corte selectivo y muy preciso, cortando exclusivamente tejido óseo y evitando el tejido blando) y de los rascadores de hueso.
La técnica, publicada en Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, se realiza en un solo tiempo quirúrgico e incluye la colocación simultánea de los bloques de hueso y de los implantes de titanio. Las ventajas fundamentales de esta modificación incluyen: 1/ Proporciona una ganancia adecuada de la cantidad de hueso maxilar. 2/ Permite la colocación de implantes dentales en la posición más apropiada. 3/ Mejora la discrepancia entre maxilar y mandíbula típica del paciente con atrofia ósea. 4/ Minimiza la incidencia de complicaciones infecciosas secundarias a la movilización de estructuras en el seno maxilar y en las fosas nasales.
Características tecnológicas
Tipos de materiales piezoeléctricos
Todos los materiales piezoeléctricos están enmarcados bajo el nombre de “Pieóxidos”, lo cual es una contracción del término óxidos piezoeléctricos, a los cuales se hace referencia, para abreviar, como PXE. Existen los siguientes tipos de materiales PXE, cada uno con características específicas para lograr un propósito particular:
PXE 3: Es una placa cerámica de titanato – zirconato de plomo con un coeficiente de acoplamiento de corte muy alto, una baja constante dieléctrica y una alta temperatura Curié. Así se logra una pequeña despolarización por efecto de soldado. Estas propiedades hacen que el PXE 3 sea útil en aplicaciones de resonancia de alta frecuencia (bajo esfuerzos de corte o torsión), como por ejemplo transductores de retardo ultrasónico.
PXE 4: Este tipo es de titanato – zirconato de plomo mejorado, el cual tiene excelentes propiedades para dos importantes campos de aplicación, que son transductores resonantes de alta intensidad y generadores de alta tensión. La alta fuerza coercitiva y el alto factor Q mecánico unidos a la baja disipación de calor que produce una onda incidente sobre el material cerámico (dieléctrico) hacen que el PXE 4 pueda ser llevado a grandes amplitudes de deformación , lo cual es requerido, por ejemplo, en limpieza ultrasónica y sonares. También soporta fácilmente las cargas repetitivas de las muy altas fuerzas cuasi – estáticas y dinámicas necesarias para la generación de alta tensión.
PXE 5: Como el anterior, es de Titanato – Zirconato de Plomo mejorado. Tiene un factor Q mecánica bajo, un coeficiente de acoplamiento muy alto y buena sensibilidad de carga. Por esto es el tipo ideal para todas las aplicaciones de sensores mecano – eléctricos no resonantes, tales como cápsulas pick up, micrófonos, etc. El PXE 5 tiene mejor estabilidad térmica y por envejecimiento que los otros tipos. La resistividad, aún a altas temperaturas es extremadamente alta.
PXE 7: Es similar al PXE 3 pero con mejores características de estabilidad. Es utilizado en las líneas de retardo ultrasónico en receptores de TV, sistema PAL.
PXE 10:Tiene una constante dieléctrica extremadamente alta y, como el PXE 5, el factor de mérito Q mecánico es bajo, por lo cual es útil en aplicaciones mecano – eléctricas no resonantes que requieran un alto rendimiento de conversión de energía.
PXE 11:Es un novato de sodio y potasio. Tiene una constante de frecuencia comparativamente alta. Ambas propiedades hacen del PXE 11 el material ideal para transductores de muy alta frecuencia (fr = 10 – 100 Mhz), por ejemplo en líneas de retardo.
Bibliografía:
[1] GALLEGO, J.; Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers, J. Phys. E: Sci. Instrum., 22 804- 816 1989.
[2] SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.
[3] CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals, Dover Press, 1964.
[4] JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.
[5] Piezoelectric ceramics: Properties and Applications, Morgan Electro Ceramics Inc. technical publication.
[6] NYE, J.F.; Physical Properties of Crystals, Clarendon Press, 1985.
[7] IKEDA, T.; Fundamental of Piezoelectricity, Oxford University Press, 1990.
[8] PIEZOELECTRIC CERAMICS-Philips.
[9] LOS ULTRASONIDOS-V. Almagro.
[10] Boletín Vigilancia Tecnológica. Materiales piezoeléctricos. España 2010.
Pueden darnos un vistazo aquí:
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