Piezoelectricidad

La piezoelectricidad 

Del griego piézein presionar, apretar.

Se trata de la propiedad que poseen ciertos cuerpos de polarizarse eléctricamente bajo la acción de una tensión mecánica y recíprocamente de deformarse cuando se les aplica un campo eléctrico.
Los dos efectos son inseparables. El primero se llama efecto piezoeléctrico directo; el segundo efecto piezoeléctrico inverso.
Esta propiedad encuentra un gran número de aplicaciones en la industria y la vida cotidiana. 
Una aplicación entre las más familiares es el encendedor de gas. En un encendedor de gas, la presión ejercida produce una tensión eléctrica que se descarga bruscamente en forma de chispas: es una aplicación del efecto directo.
De manera más general, el efecto directo puede aprovecharse en la realización de sensores (sensor de presión, etc.) mientras que el efecto inverso permite realizar actuadores (inyectores con control piezoeléctrico en automoción, nano-manipulador…).
Los materiales piezoeléctricos son muy numerosos. El más conocido es sin duda el cuarzo, siempre utilizado hoy en día en relojes para generar impulsos de reloj. Pero son las cerámicas sintéticas, los PZT, las que se usan más ampliamente hoy en la industria.

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo se debe a Pierre y Jacques Curie en 1880. Combinando sus conocimientos de la piroelectricidad y de la estructura cristalina, predijeron y verificaron la existencia de la piezoelectricidad en cristales de cuarzo, turmalina, topacio, azúcar y sal de Rochelle. La existencia del efecto inverso fue predicha al año siguiente por Gabriel Lippman sobre la base de cálculos termodinámicos, y verificada inmediatamente por los Curie. También en 1881 Hermann Hankel sugirió el uso del término piezoelectricidad del griego « piézein » que significa presionar, apretar.
La piezoelectricidad permaneció una curiosidad de laboratorio durante unos treinta años; dio lugar sobre todo a trabajos teóricos sobre las estructuras cristalinas que presentan esta propiedad. Estos trabajos culminaron en 1910 con la publicación por Woldemar Voigt del Lehrbuch der Kristallphysik que da las veinte clases cristalinas piezoeléctricas, y define rigurosamente las constantes piezoeléctricas en el formalismo del análisis tensorial.
 Desde un punto de vista práctico, la piezoelectricidad solo se utilizó para realizar algunos instrumentos de laboratorio.

Primeras aplicaciones:

La primera aplicación de la piezoelectricidad fue el sonar desarrollado por Paul Langevin y sus colaboradores durante la Primera Guerra Mundial. Este sonar estaba compuesto por láminas de cuarzo pegadas entre dos placas de acero y un hidrófono y permitía, mediante la medición del tiempo transcurrido entre la emisión de una onda acústica y la recepción de su eco, calcular la distancia al objeto.  Poco después, a principios de los años 1920, se desarrolló el primer oscilador de cuarzo por Walter Cady, abriendo así el camino al control de frecuencia.
El éxito de estos proyectos suscitó un gran interés por la piezoelectricidad, reactivó las investigaciones y condujo a lo largo de los años siguientes al desarrollo de nuevos dispositivos para una amplia gama de aplicaciones en la vida cotidiana, la industria y la investigación. La mejora del fonógrafo o el desarrollo del reflectómetro y del transductor acústico, ampliamente utilizado para mediciones de dureza o viscosidad, son ejemplos.
Durante este período, los principales materiales utilizados son el cuarzo, la sal de Seignette y el dihidrógeno fosfato de potasio KH2PO4. Sin embargo, aunque pueden utilizarse, estos materiales presentan inconvenientes que limitan tanto las aplicaciones posibles como la elaboración de teorías de la piezoelectricidad.

Descubrimiento de los óxidos ferroeléctricos

Durante la Segunda Guerra Mundial, la búsqueda de materiales dieléctricos más eficientes llevó a diferentes grupos de investigación en Japón, Estados Unidos y Rusia a descubrir las propiedades piezoeléctricas de cerámicas sintéticas compuestas de óxidos con estructura perovskita: el titanio de bario (BaTiO3) y un poco más tarde los titanato-zirconato de plomo (PbZrxTi1-xO3, abreviado PZT). El desarrollo de estos materiales representa un paso decisivo en el desarrollo de dispositivos piezoeléctricos. De hecho, sus propiedades son globalmente mucho mejores; tienen coeficientes piezoeléctricos del orden de 100 veces superiores a los de los cristales naturales. Pero sobre todo, es posible con estas cerámicas sintéticas jugar con diferentes parámetros de síntesis y así ajustar las propiedades del material para una aplicación precisa. En particular, el dopaje con diversos iones metálicos permite modificar considerablemente su constante dieléctrica, su dureza, su mecanizado, etc.
Desde un punto de vista teórico, estos materiales constituyen también los primeros ferroeléctricos simples que permitirán elaborar y validar los modelos microscópicos. 
Un nuevo salto se dio a principios de los años 1980 con la síntesis de cristales de PZN-PT y PMN-PT que presentan los coeficientes piezoeléctricos más altos conocidos hasta la fecha.

Monocristales

Un monocristal es un arreglo regular y periódico de átomos. Es bajo esta forma que se presentan los materiales piezoeléctricos naturales como el cuarzo o la turmalina, y es también bajo esta forma que se usaron en las aplicaciones de primera generación antes del desarrollo de las cerámicas.
Los cristales ferroeléctricos pueden poseer una estructura en dominios. Se distinguirán entonces monocristales monodominio y polidominio según que una o varias direcciones de polarización coexistan en el cristal. En una descripción cristalográfica, los cristales polidominio no son rigurosamente monocristales sino cristales maclados; sin embargo, el uso es continuar hablando de monocristal.
Los coeficientes piezoeléctricos más altos conocidos hasta hoy se obtienen para monocristales polidominio. En la práctica, presentan inconvenientes que limitan su uso en muchos dispositivos: coste, disponibilidad.