Los investigadores han desarrollado una nueva técnica que restaura las propiedades básicas de los materiales piezoeléctricos a temperatura ambiente, facilitando las reparaciones y alargando la vida útil de los dispositivos de ultrasonido y sonar.

El calor y la presión pueden degradar las propiedades de los materiales piezoeléctricos esenciales para las tecnologías avanzadas de ultrasonido y sonar. Tradicionalmente, reparar este daño implicaba desmontar los dispositivos y exponer los materiales a temperaturas más altas. Ahora, los investigadores han desarrollado una técnica para restaurar estas propiedades a temperatura ambiente, simplificando el proceso de reparación y allanando el camino para nuevas técnicas 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 eficientemente infrasonidos u ondas ultrasónicas, el material debe estar “polarizado”.

Esto se debe a que los materiales piezoeléctricos utilizados en aplicaciones de sonar y ultrasonido son en su mayoría materiales piezoeléctricos. Como todos los materiales piezoeléctricos, presenta un fenómeno llamado polarización espontánea. Esto significa que contienen pares de iones cargados positiva y negativamente llamados dipolos. Cuando un material piezoeléctrico está polarizado, significa que todos sus dipolos se alinean con un 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.

Desafíos para mantener la alineación del material

dice Xiaoning Jiang, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y el Dean F. “Si estos dipolos no están alineados, es difícil generar ondas de ultrasonido específicas con la amplitud necesaria para que sea práctico”, dijo el Dr. Duncan de la Universidad de Harvard. Universidad Estatal de Carolina del Norte.

“El mantenimiento de los electrodos de materiales piezoeléctricos ferroeléctricos plantea grandes desafíos, porque los dipolos pueden empezar a perder su alineación cuando se exponen a altas temperaturas o altas presiones”, dice Jiang.

“Esto también es un problema de fabricación, porque limita los materiales y otros procesos que se pueden utilizar al fabricar dispositivos de ultrasonido”, dice Jiang. “Y debido a que las temperaturas no son tan altas, puedes ver problemas de alineación hasta 70 grados °C – Incluso cargar o almacenar estas tecnologías a veces puede afectar negativamente el rendimiento y la eficiencia de los dispositivos.

“Además, el uso prolongado de algunas tecnologías puede hacer que el propio dispositivo genere calor que puede despolarizar el material piezoeléctrico”.

Una vez que los dipolos de un material están desalineados, no es fácil volver a alinearlos. El material piezoeléctrico debe retirarse del dispositivo y exponerse a altas temperaturas (300 °C o más) para despolarizar completamente el material antes de que se “repolarice” y los dipolos vuelvan a alinearse.

“Es importante reutilizar estos materiales piezoeléctricos ferroeléctricos porque suelen ser caros y no es conveniente tirarlos”, afirma Jiang. “Pero a menudo los materiales se recuperan y el resto del dispositivo de ultrasonido se desecha”.

“Hemos desarrollado una tecnología que nos permite quitar los electrodos y volver a electrodos los materiales piezoeléctricos y ferroeléctricos a temperatura ambiente. Esto significa que podemos volver a alinear los dipolos sin quitar el material del dispositivo, y esto se puede hacer. repetidamente según sea necesario”.

Entendiendo la nueva tecnología

Para comprender la nueva tecnología, es necesario comprender que hay dos formas de alinear los dipolos en un material piezoferroeléctrico. La técnica más utilizada consiste en aplicar un campo eléctrico directo (CC) al material, empujando todos los dipolos en la misma dirección.

“Este método funciona bien para crear la alineación, pero es prácticamente imposible eliminar la polaridad del material utilizando sólo un campo de CC”, dijo Jiang.

Otra técnica consiste en aplicar un campo eléctrico alterno 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 quedan bloqueados en su lugar y alineados.

“Descubrimos que también podemos eliminar la polaridad del material usando un campo de CA, incluso a temperatura ambiente. Si el material estaba originalmente polarizado usando un campo de CC, podemos eliminar una cantidad significativa de polaridad usando un campo de CA, pero no. todo eso”, dijo Jiang. “Sin embargo, si el material estaba originalmente polarizado con un campo de CA, descubrimos que la polaridad del material también se puede eliminar por completo con un campo de CA”.

Este descubrimiento tiene al menos dos implicaciones importantes para las técnicas de ultrasonido.

“Si podemos suministrar materiales piezoeléctricos y ferroeléctricos a temperatura ambiente, significa que podemos cambiar los demás materiales y procesos de fabricación que utilizamos al crear dispositivos de ultrasonido para mejorar su rendimiento”, afirma Jiang. “Ya no estamos limitados a materiales y procesos que no afecten la polarización en componentes piezoeléctricos y ferroeléctricos, porque podemos conducir materiales utilizando un campo de CA después de ensamblar el dispositivo.

“Además, esto significa que podemos transformar fácilmente los materiales en dispositivos existentes, lo que nos brinda una larga vida útil de máximo rendimiento para estas tecnologías”.

Referencia: “Despolarización eléctrica y repolarización de cristales individuales eléctricos de PbTiO3 relajados sin tratamiento térmico” por Hwang Pil Kim, Mao Hwa Chang, Bo Wang, Hwayo Wu, Chengzi Xu, Sipan Liu, Sun Ho Moon, Yuhachi Yamashita y Jung Eun Ryu, Jun Liu, Xu Jun Zhang, Longqing Chen y Xiaoning Jiang, 30 de julio de 2024. Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-024-50847-3

Este trabajo se realizó con el apoyo de la Oficina de Investigaciones Navales, bajo la Subvención No. N00014-21-1-2058; y la Fundación Nacional de Ciencias, bajo las subvenciones 2011978, 2309184 y 2133373; y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el contrato DE-AC52-07NA27344.