A principios de la década de 1880 los hermanos Pierre y Jacques Curie descubrieron el fenómeno de la piezoelectricidad. Un material se dice que es piezoeléctrico (del griego piedsein, presionar) cuando al ser deformado se produce en su interior una separación de cargas que puede dar lugar a una corriente eléctrica. Un material natural que experimenta este fenómeno de forma muy acusada es el cuarzo; por eso, al golpearlo con fuerza produce chispas. Precisamente el cuarzo fue el primer material cuya piezoelectricidad se estudió empíricamente. Para ello se pusieron en contacto eléctrico las opuestas de un monocristal y cuando se ejerció tracción o compresión sobre él se detectó el paso de corriente eléctrica. El fundamento de la piezoelectricidad se ilustra en la figura 5.17 con un modelo molecular simple.
Supóngase un material constituido de unidades repetidas (como moléculas o celdas unidad) dentro de cada una de las cuales existen cargas opuestas (en la celda unidad del cuarzo, por ejemplo, hay iones Si4+ y O2–). Imagínese que cada unidaddel material tiene forma circular y una distribución de cargas como la que se ve en la parte superior derecha de la figura 5.17. Por simetría, los centros de carga positiva y negativa coinciden en el mismo punto y la unidad resulta eléctricamente neutra. Ahora bien, si se ejerce una fuerza F→ sobre el material, esto supondrá ejercer fuerzas f→ sobre sus unidades circulares, lo que las distorsionará, dándoles forma elíptica. La consecuencia de la deformación será que se separarán ambos centros de carga, positiva y negativa. La separación de las cargas creará un dipolo en cada unidad caracterizado por la correspondiente polarización, p→. Como se ve en la parte de abajo de la figura 5.17, las cargas de dipolos vecinos dentro del material estarán compensadas entre sí, pero no lo estarán las cargas de las caras laterales del fragmento de material, por lo que una de las caras adquirirá carga positiva y la otra adquirirá carga negativa. El fragmento de material en su conjunto se habrá polarizado, siendo P→ su polarización total.
Supongamos que recubrimos las caras laterales con sendas láminas metálicas y que conectamos estas láminas mediante un cable conductor. Al ejercer una fuerza de deformación sobre el material para que se carguen las caras, los electrones libres del cable conductor fluirán hacia la lámina que está en contacto con la cara positiva del material piezoeléctrico. La lámina quedará cargada negativamente, para compensar. El caso es que en el conductor se habrá producido un flujo de electrones o corriente eléctrica que podrá ser detectado por un galvanómetro. Lógicamente, el flujo durará muy poco tiempo, ya que cesará cuando las cargas negativas de los electrones en la lámina compensen las cargas de la cara positiva del material. (Una compensación similar se producirá en la otra cara).
Si la fuerza cesa, el material recuperará su forma y se producirá de nuevo una corriente eléctrica, pero ahora será en sentido contrario para volver a la situación inicial de las cargas. Por lo tanto, si se aplican ciclos periódicos de compresión y descompresión del material se creará una corriente alterna durante el tiempo que se desee y de la frecuencia (rapidez de cambio del sentido de la corriente) que se quiera. Este es el fundamento de una de las aplicaciones de estos materiales: detectar vibraciones ambientales. Efectivamente, una onda, por su naturaleza periódica, puede ejercer pulsos de presión periódicos sobre un material piezoeléctrico que generarán una corriente alterna.
Algunos materiales también experimentan el llamado efecto piezoeléctrico inverso, consistente en una deformación mecánica del material cuando se le somete a una diferencia de potencial conectando dos puntos de él mediante cables conductores a una fuente de alimentación. Si esta corriente es alterna, el material sufrirá deformación y recuperación de la forma periódicamente. Este movimiento periódico se transmitirá al aire, creándose así ondas de sonido. Como la frecuencia de la corriente alterna puede hacerse muy alta, se pueden conseguir ultrasonidos inaudibles por el oído humano (es decir, desde unos 20 kHz a gigahercios). En resumen, el fenómeno de la piezoelectricidad permite convertir energía mecánica en eléctrica y viceversa.
Además del cuarzo, otras cerámicas crean piezoelectricidad, ya sean naturales (como la turmalina o el topacio) o sintéticas. Una condición necesaria para ello es que la celda unidad no tenga centro de simetría. Este elemento de simetría, también llamado centro de inversión, es un punto del espacio que tiene la propiedad de tener a la misma distancia átomos iguales diametralmente opuestos.
Esto se entiende mejor observando la figura 5.18-izqda., que representa la estructura de la cerámica sintética titanato-zirconato de plomo por encima de la temperatura de Curie (apartado 5.5). Se han dibujado seis celdas unidad, las cuales tienen una estructura que se llama de perovskita (apartado 5.7). En el centro de cada celda hay o bien un ion Ti4+ (dibujado de color verde) o uno Zr4+ (rojo); en los centros de las caras hay átomos de O; y en los vértices, átomos de Pb. Si nos fijamos en una celda unidad veremos que el átomo central es centro de inversión porque se encuentra en el centro de segmentos que unen a átomos iguales diametralmente opuestos, ya sea de O o de Pb. Eso significa que en cada celda unidad el centro de las cargas negativas de los iones O2– y el de las cargas positivas de los Pb2+ coincidirán en el centro de inversión. Si se ejerce una fuerza se comprimirá la celda, pero seguirán coincidiendo los centros de las cargas. Por lo tanto, no se podrá conseguir una separación de cargas y no se podrá generar piezoelectricidad en el titanato-zirconato de plomo.
Ahora bien, por debajo de la temperatura de Curie (unos 450 oC en este material[3]) el titanato-circonato de plomo experimenta una transición de fase y pasa de tener la estructura cúbica de la figura 5.18-izqda. a una estructura tetragonal (se ha dibujado algo exagerada), la cual ya no presenta centro de simetría. Esta es fácil de comprobar: el centro de cada celda unidad no actúa como centro de inversión para el ion de Ti4+ ni para el de Zr4+.
La piezoelectricidad del titanato-zirconato de plomo es muy acusada. La fórmula general de esta cerámica es Pb[TixZr1–x]O3, por lo que se puede considerar que es una mezcla de titanato de plomo (PbTiO3) y de zirconato de plomo (PbZrO3), en principio en cualquier proporción; por ejemplo PbTi0,48Zr0.52O3. Es, pues, un compuesto no estequiométrico o bertólido (Berthollet se oponía a Proust afirmando que la composición de los compuestos no tenía por qué ser constante). Los fenómenos no estequiométricos son bastante comunes en óxidos y en especial en los de estructura de perovskita.
Hay que tener en cuenta un detalle. Cuando se sintetiza titanato-zirconato de plomo, el material obtenido normalmente no es piezoeléctrico ni siquiera por debajo del punto de Curie. La razón es que, a diferencia del cuarzo piezoeléctrico, que es monocristalino, el titanato-zirconato de plomo es policristalino, es decir, está formado por muchos cristales diminutos orientados al azar. Esto significa que el material está formado por muchos dominios, como se explicó en el apartado 5.5. Las celdas unidad en cada microcristal no tienen centro de simetría por debajo del punto de Curie, por lo que la separación de cargas positivas y negativas crea un dipolo eléctrico. Por lo tanto, cada microcristal tendrá un dipolo eléctrico resultante. Pero en cada dominio la orientación del dipolo será al azar, de modo que todos se compensarán, análogamente a como se compensan los momentos magnéticos. Por lo tanto, el efecto piezoeléctrico no podría producirse.
Sin embargo, se puede inducir este efecto si se consigue alinear todos los dipolos eléctricos, es decir, polarizar el material. Pare ello, se lo somete a un potente campo eléctrico (de más de 2000 V/mm). Con ello se logra que los dipolos de los dominios se orienten en la dirección del campo. Macroscópicamente se observa que el material se expande en la dirección del campo y se contrae en la dirección perpendicular. Si se deja de aplicar el campo, los dipolos mantendrán más o menos la alineación, y aunque esta no será perfecta, el material habrá quedado polarizado. Los materiales que se comportan así se dice que son ferroeléctricos. Al aplicar una tensión mecánica sobre ellos se crean cargas superficiales (piezoelectricidad directa) y al someterlos a un campo eléctrico externo los dipolos tenderán a mejorar su alineación, alargándose en la dirección del campo y contrayéndose en la perpendicular (piezoelectricidad inversa). Todo esto siempre que se trabaje a temperatura inferior al punto de Curie; si esta temperatura se supera se producirá la transición de la fase tetragonal a la cúbica y se perderán las propiedades piezoeléctricas[4].
Aunque el fenómeno de la piezoelectricidad es poco conocido popularmente, se hace mucho uso de él tanto en aplicaciones cotidianas como técnicas. Por ejemplo, algunos encendedores se basan en un material piezoeléctrico del que saltan chispas cuando es sometido a presión. Los zumbadores de ciertos dispositivos son materiales piezoeléctricos que vibran al recibir una corriente alterna de la frecuencia adecuada. Las alarmas de los cinturones de seguridad y antirrobo pueden usar zumbadores piezoeléctricos. En general, la mayoría de las aplicaciones se basa en la conversión de la energía mecánica de una vibración en la energía eléctrica de una corriente alterna, o viceversa.
Uno de los primeros usos fue el fonógrafo, que era un aparato para registrar y reproducir sonidos. Si una persona habla por un micrófono, las ondas de sonido de su voz hacen que un diafragma vibre. Una cerámica piezoeléctrica convierte esta vibración en señales eléctricas que se pueden almacenar. Y al revés, las señales eléctricas pueden transmitirse a un altavoz piezoeléctrico que las convierte de nuevo en ondas de sonido.
En el mar se usa el hidrófono, que consiste en un apilamiento de láminas de cristal piezoeléctrico sumergidas en aceite dentro de una carcasa. Las ondas sonoras del motor de una nave acuática viajan a través del agua y chocan con el hidrófono, haciendo que este emita una señal eléctrica que se puede amplificar y mostrar visualmente en la pantalla de un osciloscopio.
Un perfeccionamiento del hidrófono es el sonar (del inglés sound navigation and ranging, que viene a significar navegación por sonido). Su funcionamiento se puede comparar con la técnica de los murciélagos para la detección de obstáculos. El sonar emite ondas acústicas que pueden ser producidas por una pieza de cerámica piezoeléctrica (transductor). Estas viajan por el agua, impactan contra un objeto sólido, rebotan y regresan como eco para ser detectadas por un hidrófono. Como se conoce la velocidad del sonido en el agua, se puede calcular con precisión la distancia entre el equipo de sonar y el objeto. Por un procedimiento análogo es posible detectar bancos de peces, mapear el suelo oceánico o hacer una ecografía, como se ilustra en la figura 5.19.
Otros usos son la comprobación de defectos en aceros; la sonicación (apartado 4.2); los actuadores para posicionar un objeto en un lugar deseado con extraordinaria precisión, incluso a nivel nanoscópico, lo que se logra aplicando una corriente continua a un material piezoeléctrico para que cambie de forma; la detección y reducción de vibraciones en aviones e incluso en tablas de esquí y bates de béisbol; o la producción de objetos muy pequeños, como un microchip. Se hace uso del efecto piezoeléctrico en fotolitografía, para reproducir detalles de menos de 100 nm; en maquinado ultrasónico, para cortar materiales duros haciendo que vibren partículas de diamante o carburo de silicio; en transformadores de voltaje eléctrico que no necesitan bobinas; en microscopía de fuerzas atómicas; en cirugía (desde escalpelos ultrasónicos a endoscopios); en diálisis, para detectar burbujas de aire; en la eliminación de depósitos grasos en las arterias; en fisioterapia con ultrasonidos; en el sensor de impacto para las bolsas de aire de seguridad de los coches, etc.[7].
[1] Imagen: R. S. Dahiya y M. Valle. Robotic Tactile Sensing. Springer (2013). https://doi.org/10.1007/978-94-007-0579-1.
[2] Imagen: D. McGrath. Lead zirconate titanate (PZT) diagrams. Radiopaedia. https://radiopaedia.org/cases/lead-zirconate-titanate-pzt-diagrams.
[3] J. D. Bobic. Magnetic, Ferroelectric, and Multiferroic Metal Oxides in Metal Oxides. Elsevier (2018) 233-249. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811180-2.00011-6.
[4] M. Cúpich y F. J. Elizondo. Ingenierías 3 (2000) 22-28.
[5] Imagen: Tom Kwasnitschka / Nico Augustin, GEOMAR en A.-C. Wölfl et al. Front. Mar. Sci., 6 (2019). https://doi.org/10.3389/fmars.2019.00283.
[6] Imagen de 4dsonogram.jpg: MadcapslaughEcografía_4D_-_Feto_12semanas_D.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6886109.
[7] D. W. Richerson (op. cit.)
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
