El calor y la presión pueden degradar las propiedades de los materiales piezoeléctricos que hacen posibles las tecnologías avanzadas de ultrasonido y sonar, y reparar el daño históricamente ha requerido desmontar dispositivos y calentar el material a temperaturas aún más altas. Ahora los investigadores han desarrollado una técnica para restaurar estas propiedades a temperatura ambiente, haciendo que los dispositivos sean más fáciles de reparar y allanando el camino para nuevas tecnologías de ultrasonido.
Los materiales piezoeléctricos tienen muchas aplicaciones, incluidas tecnologías de sonar y dispositivos que generan y detectan ondas de ultrasonido. Pero para que estos dispositivos generen eficazmente ondas de sonar o de ultrasonido, es necesario “agrupar” el material.
Esto se debe a que los materiales piezoeléctricos utilizados para aplicaciones de sonar y ultrasonido son en su mayoría ferroeléctricos. Y como todos los materiales ferroeléctricos, presentan un fenómeno llamado polarización espontánea. Esto significa que contienen pares de iones cargados positiva y negativamente llamados dipolos. Cuando un material ferroeléctrico tiene polos, significa que todos sus dipolos se alinean con el campo eléctrico externo. En otras palabras, todos los dipolos están orientados en la misma dirección, lo que hace que sus propiedades piezoeléctricas sean más pronunciadas.
“Si esos dipolos no están alineados, es difícil generar ondas de ultrasonido específicas con la amplitud necesaria para ser práctico”, dice Dan F. Duncan, distinguido profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo. ” Ingeniería en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
“Preservar la polaridad de los materiales piezoeléctricos-ferroeléctricos plantea algunos desafíos importantes, ya que los dipolos pueden comenzar a perder su alineación cuando se exponen a altas temperaturas o altas presiones”, dice Jiang.
“También es un problema de fabricación, porque limita qué otros materiales y procesos se pueden utilizar al fabricar dispositivos de ultrasonido”, dice Jiang. “Y debido a que las temperaturas elevadas no son realmente tan altas (se pueden ver problemas de alineación de hasta 70 grados Celsius), incluso el envío o almacenamiento de estas tecnologías a veces puede afectar negativamente el sondeo y el rendimiento del dispositivo.
“Es más, el uso prolongado de algunas tecnologías puede provocar que el propio dispositivo genere calor que amenace con destruir el material ferroeléctrico piezoeléctrico”.
Y una vez que los dipolos de un material están desalineados, no es fácil volver a alinearlos. El material piezoeléctrico-ferroeléctrico debe retirarse del dispositivo y exponerse a altas temperaturas (300 grados Celsius o más) para “repolar” el material y realinear los dipolos antes de que se pueda realinear por completo.
“Es importante reutilizar estos materiales ferroeléctricos piezoeléctricos porque suelen ser caros; no conviene tirarlos a la basura”, afirma Jiang. “Pero a menudo se recupera el material y se desecha el resto del dispositivo de ultrasonido.
“Hemos desarrollado una técnica que nos permite despolar y repolar un material ferroeléctrico piezoeléctrico a temperatura ambiente. Esto significa que podemos realinear los dipolos sin quitar el material del dispositivo. Puede repetirse según sea necesario”.
Para comprender la nueva técnica, es necesario comprender que existen dos formas de alinear dipolos en materiales piezoeléctricos-ferroeléctricos. La técnica más utilizada consiste en aplicar un campo eléctrico de corriente continua (CC) al material, que atrae a todos los dipolos en la misma dirección.
“Este método funciona bien para la alineación, pero es prácticamente imposible eliminar el material utilizando sólo el campo de CC”, dijo Jiang.
Otra técnica consiste en aplicar un campo eléctrico de corriente alterna (CA) al material, lo que hace que los dipolos oscilen en respuesta a las ondas del campo, hasta que se elimina el campo, momento en el que los dipolos se alinean en su lugar.
“Descubrimos que podíamos eliminar material usando un campo de CA, incluso a temperatura ambiente. Si el material se reunió originalmente usando un campo de CC, podíamos eliminar el material del campo de CA. “Podríamos eliminar gran parte del sondeo, pero no todo”, dijo Jiang. “Sin embargo, si el material se combinara realmente con un campo de CA, descubrimos que usar el campo de CA podría eliminar el material por completo”.
La búsqueda de tecnologías de ultrasonido tiene al menos dos implicaciones principales.
“Si podemos hacer que los materiales piezoeléctricos-ferroeléctricos destaquen a temperatura ambiente, eso significa que podemos mejorar el rendimiento de otros materiales utilizados en la fabricación de dispositivos de ultrasonido”, afirma Jiang y podemos cambiar el proceso de fabricación. “Ya no estamos limitados a materiales y procesos que no afecten la polarización en componentes piezoeléctricos-ferroeléctricos, porque podemos polarizar el material usando un campo de CA después de ensamblar el dispositivo.
“Es más, significa que podemos reutilizar fácilmente los materiales en los dispositivos existentes, lo que con suerte nos dará una vida útil más larga y un rendimiento óptimo para estas tecnologías”.
