Los materiales piezoeléctricos hace tiempo que se han vuelto indispensables en la tecnología moderna. Su capacidad para transformar energía mecánica en eléctrica y viceversa se utiliza en numerosos campos, desde dispositivos médicos hasta sensores industriales. Sin embargo, hasta hace poco seguía siendo un misterio por qué algunas cerámicas exhiben características sobresalientes y otras no. Una nueva investigación de científicos rusos arroja luz sobre esta cuestión, revelando que la clave de sus propiedades únicas reside en los más sutiles detalles de la estructura atómica.
El protagonista de este estudio es el zirconato-titanato de plomo (PZT), un material considerado durante décadas como el estándar de referencia entre los piezoeléctricos. Sus propiedades excepcionales se manifiestan cerca de la frontera de fase morfotrópica, una zona donde varias formas cristalinas coexisten en un mismo bloque cerámico. Precisamente este ‘cruce’ de fases garantiza la máxima respuesta a estímulos externos, pero su naturaleza ha sido difícil de desentrañar debido a la similitud de las estructuras y la complejidad de su análisis.
Tres fases en lugar de dos: hallazgos inesperados
Un grupo de científicos de Rusia llevó a cabo un estudio integral de cuatro tipos de muestras: CTS puro, su versión con la adición de estroncio, así como dos marcas industriales — CTS-19 y CTS-23, aleadas con niobio y cobalto. Para analizar la estructura se utilizó el método de Rietveld, que permite determinar con alta precisión la proporción de fases en el material. Se descubrió que la muestra clásica pura no consta de dos, sino de tres fases cristalinas: tetragonal, monoclínica y romboédrica. Además, la proporción de cada una influye significativamente en las propiedades eléctricas de la cerámica.
La incorporación de elementos de aleación cambió por completo el panorama. En las muestras CTS-19 y CTS-23 la fase romboédrica desapareció, y el material se transformó en una mezcla de estructuras tetragonales y monoclínicas. Resulta especialmente interesante que los mejores parámetros piezoeléctricos se observaron cuando la proporción de estas dos fases era casi igual, como ocurre en CTS-19. Por el contrario, la predominancia de la estructura tetragonal, como en CTS-23, provocó un cambio en las características electrofísicas.
La estructura determina la funcionalidad
Los datos experimentales sirvieron de base para un análisis teórico que permitió establecer una relación directa entre los desplazamientos atómicos en la red cristalina y la temperatura de Curie — el punto en el que el material pierde sus propiedades piezoeléctricas. La investigación demostró que no solo la proporción cuantitativa de las fases, sino también sus características estructurales determinan la eficiencia de la cerámica. Este enfoque abre el camino para la creación dirigida de materiales con parámetros específicos, lo que resulta especialmente relevante para las tecnologías de alta precisión.
Mijaíl Talanov, investigador principal del laboratorio de espectroscopia de terahercios del Centro de Fotónica y Materiales Bidimensionales del MFTI, señaló que ahora el desarrollo de nuevos materiales piezoeléctricos puede basarse no en métodos empíricos, sino en una comprensión profunda de la relación entre composición química, estructura y propiedades. Esto permite a ingenieros y científicos controlar el equilibrio de fases para lograr las características óptimas según las necesidades concretas.
Importancia práctica y perspectivas
Los resultados obtenidos tienen un valor no solo fundamental, sino también aplicado. La base científica desarrollada durante este trabajo permite diseñar piezocerámicas para una amplia gama de aplicaciones, desde sensores médicos hasta actuadores en robótica. Ahora, los especialistas pueden seleccionar la composición química y las condiciones de síntesis de manera que logren la combinación de fases necesaria y, por tanto, las propiedades requeridas.
En el futuro, los investigadores planean analizar cómo los parámetros de producción —temperatura, presión, duración de la sinterización— afectan la formación de la arquitectura de fases. Esto permitirá crear bibliotecas completas de materiales con características predeterminadas, lo cual resulta especialmente relevante para sectores de alta tecnología en rápido desarrollo.
Por cierto: ¿quién es Mijaíl Talanov?
Por cierto, Mijaíl Talanov es uno de los principales especialistas en física del estado sólido y ciencia de materiales en Rusia. Trabaja en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MFTI), considerado uno de los principales centros científicos del país. El laboratorio de espectroscopía de terahercios, donde colabora Talanov, realiza investigaciones avanzadas en fotónica, materiales bidimensionales y nuevas cerámicas funcionales. En los últimos años, bajo su dirección se han publicado más de 50 artículos científicos, muchos de los cuales han sido reconocidos internacionalmente. Talanov colabora activamente con colegas extranjeros y participa en importantes proyectos científicos enfocados en desarrollar nuevos materiales para la electrónica, la medicina y la energía. Sus investigaciones han servido de base para la implementación de tecnologías innovadoras en la industria y la educación en más de una ocasión.
