Cristales transparentes que producen energía permitirían crear robots invisibles y pantallas táctiles autoalimentadas

Golpee ciertos materiales cristalinos con una descarga eléctrica y cambiarán de forma. Exprímalos y le sacudirán de vuelta.

Los científicos han utilizado estos llamados piezoeléctricos durante décadas en imágenes médicas de ultrasonido.

Los materiales son tan sensibles que pueden captar el movimiento de las ondas sonoras que se mueven a través del tejido.

Ahora, los investigadores han ideado una nueva forma simple de hacer potentes piezoeléctricos transparentes, lo que podría conducir a imágenes médicas mejoradas, robots invisibles y pantallas táctiles que se autoalimentan.

Los piezoeléctricos están formados por una miríada de pequeños cristalitos o cristales individuales de una variedad de materiales que incluyen cerámica y polímeros.

En ambos casos, una mezcla de átomos se organiza en una unidad cristalina simple, típicamente del tamaño de un puñado de átomos, que se repite una y otra vez.

Dentro de cada uno de estos bloques de construcción, los átomos están dispuestos en un denominado dipolo eléctrico, con más cargas positivas en un lado y más cargas negativas en el otro.

Aplicar presión a estos materiales puede alterar sutilmente la posición de los átomos, lo suficiente como para reorganizar las cargas y producir un voltaje eléctrico.

Aplicar un voltaje eléctrico hace lo contrario, obligando al material a expandirse en una dirección y contraerse en otra.

Eso hace que los piezoeléctricos sean extremadamente útiles para una amplia variedad de aplicaciones, dice Sri-Rajasekhar Kothapalli, ingeniero biomédico de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), University Park, que no estaba afiliado a la investigación actual.

Los dispositivos piezoeléctricos, señala, son parte de todo, desde encendedores de cigarrillos e interruptores de encendido con botón pulsador en barbacoas hasta motores de precisión en microscopios de fuerza de escaneo.

También son esenciales para las imágenes fotoacústicas, que utilizan un dispositivo piezoeléctrico llamado transductor para detectar las ondas de ultrasonido que emiten los tejidos blandos a medida que absorben luz de un láser.

Las diferentes moléculas, desde la hemoglobina hasta la melanina, absorben diferentes frecuencias, por lo que los médicos pueden obtener imágenes de muchos tipos de tejidos para detectar problemas de salud.

Sin embargo, los transductores opacos proyectan una ligera sombra, lo que significa que el tejido inmediatamente debajo de ellos no se puede visualizar.

Para solucionar el problema, los investigadores han creado transductores utilizando piezoeléctricos transparentes, pero hasta ahora estos materiales han sido demasiado débiles para resolver todos sus desafíos de imágenes.

Hace unos años, investigadores en Japón encontraron una mejor manera de hacer piezoeléctricos transparentes.

Su material elegido, el titanato de plomo y niobato de magnesio y plomo (PMN-PT), era un ferroeléctrico, que naturalmente alberga dipolos eléctricos.

Los investigadores habían convertido previamente estos materiales en piezoeléctricos exponiéndolos a una corriente eléctrica de CC, del tipo que hacen las baterías.

Pero el equipo japonés descubrió que exponerlos a las corrientes de CA, del tipo que se alimenta a hogares y negocios, produce una piezoelectricidad más fuerte.

“Es como sacudir el cristal de un lado a otro“, dice Long-Qing Chen, un científico de materiales computacionales en Penn State.

Este temblor podría duplicar la piezoelectricidad de un cristal, informó el equipo japonés en una patente de 2011.

En el nuevo estudio, el grupo de Chen se unió al de Fei Li, un experto en materiales electrónicos en la Universidad Xi’an Jiaotong en China, para replicar el trabajo.

Inicialmente, solo vieron los valores piezoeléctricos de PMN-PT aumentar en un 20% a 40%.

“Eso todavía es mucho“, dice Chen.

Pero mediante el uso de simulaciones por computadora, pudieron clasificar un conjunto de reglas sobre cómo mejorar el rendimiento piezoeléctrico del material con los campos de CA.

Normalmente, el PMN-PT es opaco, ya que los grupos separados de dipolos dispersan la luz en todas las direcciones.

Utilizando sus corrientes de CA, el equipo de Chen hizo que los dipolos se alinearan, y con la ayuda de un poco de calentamiento y pulido, volvió el material transparente y le dio una fuerza piezoeléctrica 50 veces más poderosa que los piezoeléctricos transparentes comunes, informan en Nature.

Ese rendimiento mejorado podría conducir a dispositivos de imagen fotoacústica más sensibles, que podrían ayudar a los médicos en todo, desde la detección de cáncer de mama y melanoma hasta el seguimiento del flujo sanguíneo para el tratamiento de enfermedades vasculares, dice Kothapalli.

Chen y sus colegas informan que el avance también podría inspirar actuadores transparentes para robótica invisible y pantallas que se activan cuando se tocan.

El trabajo también podría reducir el costo de una amplia gama de dispositivos piezoeléctricos, dice Amar Bhalla, un experto de la Universidad de Texas, San Antonio, que no participó en la investigación.

Típicamente, los mejores dispositivos están hechos de materiales monocristalinos.

Sin embargo, dice Bhalla, “los cristales individuales son difíciles y caros de cultivar“.

La nueva técnica de AC permite a los investigadores cultivar piezoeléctricos de alta calidad a partir de materiales policristalinos que son baratos y fáciles de fabricar, dice.

Y eso podría sacudir a una industria que ya está floreciendo.

Fuente: Science Mag