Un laboratorio de vanguardia en materiales piezoeléctricos
Los piezoeléctricos están en todas partes. En las licuadoras, los teléfonos celulares, los automóviles y hasta en los sonares de los submarinos. La vida sin ellos sería muy distinta a como la conocemos.
Hace cuatro años, El faro tuvo la oportunidad de conversar con la doctora María Elena Villafuerte Castrejón, del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM (IIM), quien nos dio una puntual descripción de los piezoeléctricos. Como nos refirió en aquella ocasión, se trata de materiales a los que si se les aplica una corriente eléctrica, sufren una deformación o vibran. En cambio, si se genera una presión, producen una corriente eléctrica.
“Esta propiedad es maravillosa, porque se pueden utilizar para la fabricación de una amplia gama de productos, como sensores, ductos de petróleo, válvulas cardiacas, dependiendo de la calidad del material y de sus propiedades”, reitera la investigadora del IIM.
Amplia gama
Villafuerte Castrejón, quien está adscrita al Departamento de Materiales Metálicos y Cerámicos del IIM, nos recuerda que su área de trabajo concreta son los electrocerámicos. Se trata de “cerámicas avanzadas que se aplican principalmente por sus propiedades eléctricas. Estas propiedades son muy interesantes, porque tienen infinidad de aplicaciones tecnológicas”.
Como nos refirió hace cuatro años, apunta que el principal producto, que “cuenta con unas propiedades estupendas”, se llama circonato y titanato de plomo, conocido comúnmente como PZT. La presencia de plomo ha ocasionado una reacción adversa, particularmente entre las autoridades. Si bien una vez que el plomo se incorpora a la red cristalina que da forma a los piezoeléctricos se inhiben sus posibles efectos dañinos, la investigadora puntualiza que durante la manufacturación se pueden generar productos secundarios potencialmente peligrosos para la salud.
“Al fabricarlo se pueden desprender vapores de plomo”, apunta, al tiempo que considera que “habría que destruirlo bien. Ese es el problema: que ya en muchas normas se prohíbe el uso del plomo, porque ambientalmente es dañino”. De hecho, la Unión Europea ya ha prohibido el uso de este compuesto. Por tal motivo, la comunidad científica está en busca de materiales libres de plomo, para suplir al PZT. “Esa es mi línea de investigación: sustituir al PZT con materiales libres de plomo”, nos recalca.
Si bien todavía no se ha encontrado el sustituto ideal, no se puede obviar la importancia que tienen los piezoeléctricos en la actualidad. Para no ir tan lejos, nos recuerda que tan solo un automóvil incluye varios dispositivos apoyados en este principio: “Usted abre la ventanilla de su auto, y ahí está un piezoeléctrico. Si le indica que ya casi no hay gasolina, también es gracias a uno de estos aparatos. El mecanismo que permite que se desplieguen las bolsas de aire tras un impacto, también se basa en el mismo principio. El material piezoeléctrico tiene infinidad de aplicaciones”, insiste. Es pocas palabras, son de amplio espectro.
Un laboratorio de vanguardia
En los últimos cuatro años, el laboratorio de la doctora María Elena Villafuerte Castrejón se ha consolidado como el más completo del país, para la síntesis de materiales piezoeléctricos. Ha sido una tarea complicada, que requirió de un enorme esfuerzo económico y de gestión ante diferentes instancias. Sin embargo, con mucho orgullo, refiere que en su laboratorio se pueden aplicar varias técnicas de síntesis, es decir, de producción de los materiales.
“Tenemos como ocho posibilidades. Yo estoy encantada, porque ahora que fuimos a España aplicamos uno que se llama por el método de cizalla, del que no tenía conocimiento. En el laboratorio tenemos nuestros equipos y sólo me falta uno para estar completos”, refiere con evidente orgullo.
De hecho, como describe la doctora Villafuerte, hay numerosos parámetros piezoeléctricos, por lo que normalmente los laboratorios solo miden dos o tres. “Aquí en México, en el Instituto, nosotros ya estamos midiendo otros, porque depende del cuerpo cerámico. A veces se pueden medir en pastillas redondas, a veces tiene que ser todo, o en rectángulos, hay que pulirlos y todo por otras técnicas, medimos otros parámetros”, acota.
Con más detalle, nos explica que ahora cuenta con un horno hidrotermal asistido con microondas, que facilita enormemente el trabajo. “Se coloca el reactor con una sonda, se controla la presión y la temperatura, además de que el calentamiento es por microondas. Todo cambia como no tienen idea. La síntesis por microondas es lo último que hay. Me tardé como cuatro años para conseguir el horno, pero ahora hago bellezas, auténticas bellezas”, nos relata.
A manera de anécdota, refiere lo que vivió durante su penúltimo sabático en España, donde se consagró afanosamente a obtener un compuesto en específico. “Yo me dedicaba exclusivamente a sintetizar. No tenía clases, ni proyectos, ni juntas ni todo lo que a uno le quita el tiempo aquí. Estuvimos un año sintetizando un compuesto súper difícil, probando todos los métodos de síntesis y siempre salía con impurezas”, nos cuenta. Sin embargo, cuando se enteró que en la institución donde cumplía su sabático había un equipo que utiliza microondas, gestionó su uso y todo se resolvió. “El compuesto salió perfecto por microondas. Me gusta presumirlo. En cada plática que doy, hablo de este producto”, añade.
En este momento, el equipo de la doctora Villafuerte se dedica de lleno al desarrollo de materiales férreos y piezoeléctricos. En esta línea, refiere que cuenta con un proyecto con la Universidad Autónoma Metropolitana, a través de una asesoría a un doctorante, quien investiga un producto con propiedades luminiscentes. “Estamos trabajando con perovskitas, que son piezoeléctricos y en este caso además tienen propiedades luminiscentes. Ahorita mi principal proyecto es síntesis y caracterización de estos materiales”, asienta.
En el caso de las perovskitas se trata de multiferroicos, que tienen otras propiedades y que pueden ser piezoeléctricos. Forman parte de los electrocerámicos y son particularmente interesantes, ya que combinan propiedades magnéticas y eléctricas. Por esta razón, un multiferroico tiene otras aplicaciones. Precisa que se trata de “una familia más pequeña y más difícil de obtener; del conjunto de los electrocerámicos, solo una muy reducida parte puede cumplir con esas características. Es difícil encontrar un multiferroico”.
Una labor de alquimistas
Para la síntesis de nuevos materiales, los investigadores encabezados por la doctora Villafuerte cumplen una labor parecida a la de los antiguos alquimistas. Ensayan y prueban basados en modelos. “A veces nos dan unos resultados maravillosos. En otras ocasiones la propiedad se cae”, externa, por lo que entonces deben desechar el método de síntesis o de plano relegar el material. Así, reconoce que siempre hay una frontera.
Así, entre ensayo y error, también consultan la literatura que hay en la materia. Como nos explicó hace cuatro años, habitualmente los materiales piezoeléctricos se producen en forma de polvo, con el que se fabrican pastillas, que son las que se someten a las diferentes pruebas para valorar sus propiedades. Además, hay otra forma de compuestos, que es en película delgada, como un barniz. “Ese tiene otras aplicaciones, y yo hago cuerpos sólidos, que es lo que la piezoelectricidad necesita, un cuerpo sólido. El polvo no tiene las propiedades. Hay que polarizar, hay que darle un golpe de electricidad para que las partículas se polaricen. Ese es otro lío, porque hay que cuidar la temperatura, el tiempo y verificar constantemente el procedimiento”, añade.
En Latinoamérica, reconoce la doctora María Elena Villafuerte, hay notorios avances en este campo, particularmente en Brasil, donde cuentan con dos o tres grupos de electrocerámicas.
Para cerrar esta entrega, la investigadora del IIM nos refiere que en alguna ocasión, oyó decir a un investigador cuestionar la utilidad de las electrocerámicas. “Yo me dije ‘Dios mío, qué ignorancia’. Nos sirven para todo. Reto a alguien que no utilice electrocerámicas en un día. Desde que se levanta uno están ahí: en el reloj despertador, en el celular, la licuadora, el coche, todo. Me dije: ‘Puede haber alguien así de ignorante en esta vida’. Todos los laboratorios del mundo donde se trabaja en cerámicas avanzadas, tiene un departamento de electrocerámicas”, concluye la doctora María Elena Villafuerte Castrejón.
Por Yassir Zárate Méndez
