Los inventores japoneses han creado piezoeléctricas mejoradas: cristales transparentes que serán útiles en el desarrollo de tecnología de nueva generación.
Algunos materiales cristalinos tienen formas de cambiar su forma cuando son golpeados por una descarga eléctrica. Los científicos han utilizado estos llamados piezoeléctricos en la medicina ultrasónica durante décadas: los materiales basados en ellos son tan sensibles que pueden detectar el movimiento de las ondas sonoras que atraviesan los tejidos. Recientemente, los investigadores idearon una nueva forma de crear potentes piezoeléctricos transparentes que no solo podrían mejorar la calidad de las fotografías médicas, sino también crear robots invisibles y pantallas táctiles que se activan cuando se tocan sin baterías de terceros.
Los piezoeléctricos están compuestos por muchos cristalitos diminutos o monocristales de diversos materiales, incluidos cerámicos y polímeros. En ambos casos, la mezcla de átomos se convierte en una unidad cristalina simple, generalmente de unos pocos átomos de tamaño, que se repite una y otra vez. Dentro de cada uno de estos bloques de construcción, los átomos están ubicados en lo que se llama un dipolo eléctrico, con muchas cargas positivas en un lado y muchas cargas negativas en el otro.
La aplicación de presión a estos materiales puede cambiar sutilmente la posición de los átomos, lo que es suficiente para reorganizar las cargas y generar voltaje eléctrico. La aplicación de voltaje eléctrico tiene el efecto contrario, haciendo que el material se expanda en una dirección y se contraiga en la otra.
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Esta propiedad hace que los piezoeléctricos sean extremadamente útiles en una amplia variedad de aplicaciones. El bioingeniero Sri Rajasekhar Kotapalli señala que los dispositivos piezoeléctricos son parte de todo, desde encendedores y botones de parrilla de barbacoa hasta los sistemas de precisión de los microscopios modernos.
También son necesarios para la obtención de imágenes fotoacústicas, en las que se utiliza un dispositivo piezoeléctrico llamado transductor para detectar ondas ultrasónicas emitidas por los tejidos blandos cuando se absorbe la luz de un láser. Diferentes moléculas, desde la hemoglobina hasta la melanina, absorben diferentes frecuencias, por lo que los médicos pueden visualizar diferentes tipos de tejido para detectar problemas de salud. Sin embargo, los transductores opacos proyectan una pequeña sombra, lo que significa que la tela directamente debajo de ellos no se puede mostrar. Para solucionar este problema, los investigadores han creado transductores que utilizan piezoeléctricas transparentes, pero hasta ahora estos materiales han sido demasiado débiles y poco fiables para resolver definitivamente el problema.
Hace varios años, investigadores en Japón idearon una forma ingeniosa de crear piezoeléctricas transparentes. Su material de elección, un compuesto de niobato de plomo y titanato de plomo (PMN-PT), era un ferroeléctrico que alimenta naturalmente los dipolos eléctricos. Los investigadores ya han convertido estos materiales en piezoeléctricos al exponerlos a una corriente eléctrica de CC. Pero el equipo japonés descubrió que exponerlos a corrientes alternas, de las que se suministran a hogares y empresas, genera una poderosa carga de piezoelectricidad. “Es como agitar el cristal de un lado a otro”, explica Long-Qing Chen, un científico computacional de Pensilvania. Tal cambio podría duplicar las propiedades piezoeléctricas del cristal, como anunció el equipo japonés en 2011.
PMN-PT suele ser opaco porque los grupos individuales de dipolos dispersan la luz en todas direcciones. Usando corriente alterna, el equipo aplanó los dipolos, luego calentó y pulió el material hasta obtener propiedades transparentes y piezoeléctricas 50 veces más potentes que los materiales piezoeléctricos transparentes convencionales. El resultado del trabajo se presenta en la revista Nature.
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Se pueden utilizar piezoeléctricas mejoradas para fabricar dispositivos de imágenes fotoacústicas más sensibles que pueden ayudar a los médicos en todo, desde la detección del cáncer de mama y el melanoma hasta la monitorización del flujo sanguíneo para tratar la enfermedad vascular. Los investigadores informan que este progreso también puede inspirar a los ingenieros a crear actuadores transparentes para pantallas y robótica invisibles que se activan al tacto.
Vasily Makarov
