Los piezoeléctricos son materiales que cambian de forma cuando se aplica un campo eléctrico, con una amplia gama de aplicaciones, incluida la impresión de tinta en papel y el movimiento preciso de la punta de un microscopio de túnel de barrido. En la actualidad, los piezoeléctricos más eficaces son los que se encuentran en forma monocristalina, porque tienen un gran valor de electroestracción (> 1 por ciento), que es una marca de cuánto puede cambiar de forma el material cuando se aplica el campo eléctrico. Sin embargo, son muy costosos y difíciles de fabricar. Piezoeléctricos cerámicos, compuesto por múltiples cristales diminutos, son al menos cien veces más baratos y fáciles de producir en masa, pero suelen tener valores de electroestracción muy bajos.

Por primera vez, Investigadores del Instituto de Ciencias de la India (IISc) han diseñado un material cerámico capaz de alcanzar un valor de electroestracción del 1,3 por ciento, el más alto para una cerámica hasta la fecha y el más cercano al récord establecido por los monocristales.

"El proceso de fabricación de cerámica es similar al de fabricación de ladrillos, "dice Rajeev Ranjan, Profesor adjunto, Departamento de Ingeniería de Materiales, IISc, quien dirigió el estudio. "Esto puede permitir a la industria de actuadores y transductores la opción de elegir materiales que son mucho más baratos que los monocristales para aplicaciones de alta gama".

El estudio fue publicado en Materiales de la naturaleza .

Materiales naturales como el cuarzo, cuando se corta como cristales individuales, se puede comprimir o expandir automáticamente cuando se aplica voltaje. Sin embargo, su fabricación es costosa y complicada. Desde la década de 1950, la atención se ha desplazado hacia óxidos de metales mixtos cerámicos de base ferroeléctrica más baratos. Estas cerámicas no muestran piezoelectricidad en su forma preparada, pero se puede lograr aplicando un voltaje fuerte.

Cuando se aplica un campo eléctrico a un material piezoeléctrico (cristal o cerámica), se desarrolla una deformación, una cualidad que se mide por cuánto cambia su longitud en proporción a su dimensión original. Cuanto mayor sea la tensión que se puede inducir en el material, el mejor, especialmente para aplicaciones como la generación de ultrasonidos en equipos de imágenes médicas. El valor más alto de esta electroestraína alcanzado hasta la fecha es del 1,7 por ciento en monocristales de un tipo especial de materiales a base de plomo llamados ferroeléctricos relajantes. Hasta aquí, los investigadores no han podido diseñar cerámicas con valores de electroestracción similares o cercanos.

Un material cerámico es generalmente una masa variada de pequeños, cristales de óxido de metal orientados aleatoriamente llamados granos. Cuando se aplica voltaje, las regiones locales llamadas dominios dentro de cada grano intentan orientarse en la dirección del campo aplicado, incitando al grano a cambiar su forma. La medida en que un grano cambia de forma depende de una propiedad inherente llamada "deformación reticular espontánea". Cuanto mayor sea esta tensión espontánea, cuanto más se puede deformar el grano bajo un campo eléctrico. La electroestraína vista en un material piezoeléctrico cerámico representa la suma total de los alargamientos de los varios miles de granos.

Sin embargo, La mayoría de las cerámicas piezoeléctricas tienen un inconveniente:cuando se apaga el voltaje, los dominios permanecen atascados en su nueva configuración, clavado por defectos en el material, y no pueden volver a su estado original. Esto significa que cuando se aplica voltaje por segunda o tercera vez, la electroestraina se reduce drásticamente.

Por lo tanto, Un material piezocerámico ideal no solo debe tener una gran tensión de celosía espontánea, pero también un movimiento reversible de dominios.

Para desarrollar tal material, Ranjan y su equipo prepararon primero una solución sólida de los compuestos BiFeO ₃ y PbTiO ₃ que tenía una gran tensión de celosía espontánea. Debido a que los dominios de este material estaban inmóviles, lo modificaron químicamente agregando cantidades variables del elemento lantano para hacer que los dominios se movieran. A una cierta concentración crítica de lantano, los dominios pudieron volver a su estado original cuando se apagó el voltaje.

"Por lo tanto, nuestro material puede compararse con una goma que se puede alargar repetidamente cada vez que nos estiramos, "dice Ranjan.

A esta concentración de lantano, el material también mostró un valor de electroestracción del 1,3 por ciento, casi el doble del valor más alto reportado para una cerámica hasta ahora. El valor permaneció igual cada vez que se aplicó voltaje. En un examen más detenido, el material mostró propiedades a nanoescala que eran similares a las de los ferroeléctricos relajantes de alto rendimiento.

"Nuestra demostración de que la electroestraina de una magnitud tan grande se puede realizar incluso en cerámica probablemente estimule a los científicos a buscar más materiales nuevos". "dice Ranjan.