Efecto piezoeléctrico

Qué es el efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico consiste en la generación de una polarización eléctrica en el interior de determinados materiales cuando se les somete a una tensión mecánica: presión, tracción, torsión o vibración. Aparece una carga en las caras del cristal proporcional a la fuerza aplicada. En su forma inversa, denominada efecto piezoeléctrico converso, ocurre lo contrario: al aplicar un campo eléctrico al material, este se deforma de manera reversible. Los dos aspectos son simétricos y son la razón por la que un mismo transductor puede emitir ultrasonido y detectarlo alternativamente.

El nombre procede del griego piezein (πιέζειν, "presionar, apretar") y elektron (ἤλεκτρον, "ámbar"; por metonimia, "electricidad"). Literalmente, "electricidad por presión". Lo acuñaron los hermanos Curie tras sus experimentos con cristales de cuarzo y sal de la Rochelle en 1880. Pierre Curie tenía 21 años, Jacques 25. La publicación describía cómo la aplicación de fuerza en direcciones concretas del cristal producía una polarización eléctrica proporcional. Al año siguiente, el físico Gabriel Lippmann predijo por consideraciones termodinámicas la existencia del efecto converso, que los propios Curie verificaron experimentalmente poco después.

Base física del fenómeno

La piezoelectricidad aparece en materiales cristalinos sin centro de simetría. En reposo, las cargas positivas y negativas del cristal están distribuidas de forma que no hay momento dipolar neto. Al aplicar una fuerza mecánica, los iones se desplazan ligeramente respecto a sus posiciones de equilibrio y se genera una polarización a lo largo de un eje específico del cristal. Ese desplazamiento neto de carga se traduce en una diferencia de potencial entre las caras opuestas del material. Si el material se conecta a un circuito, aparece una corriente eléctrica proporcional a la deformación.

Los materiales piezoeléctricos naturales son el cuarzo, la sal de la Rochelle y la turmalina. En la práctica clínica moderna se emplean sobre todo cerámicas sintéticas policristalinas polarizadas mediante un proceso a alta temperatura y con campo eléctrico intenso. La más extendida es el titanato-zirconato de plomo (PZT), que ofrece coeficientes electromecánicos varias veces superiores a los del cuarzo. Están en desarrollo alternativas sin plomo por razones medioambientales. En determinados dispositivos se usan polímeros piezoeléctricos como el polifluoruro de vinilideno (PVDF), flexibles y adaptables a geometrías complejas.

Aplicación en ecografía y ultrasonido médico

La ecografía es la aplicación más difundida del efecto piezoeléctrico en medicina. El transductor de la sonda ecográfica contiene una o varias láminas de material piezoeléctrico. Cuando el equipo aplica un pulso eléctrico de alta frecuencia, la lámina vibra y genera una onda ultrasónica que se propaga por los tejidos. Los ecos reflejados en las interfases entre estructuras de distinta impedancia acústica regresan al transductor, deforman el cristal y provocan un pulso eléctrico que el equipo amplifica y procesa como imagen. La misma pieza funciona alternativamente como emisor y receptor en ciclos muy rápidos.

La frecuencia de resonancia del cristal depende de su grosor: los transductores gruesos vibran a frecuencias más bajas (2-5 MHz, sondas convexas para exploraciones abdominales profundas) y los delgados a frecuencias altas (7-15 MHz, sondas lineales para partes blandas superficiales y accesos vasculares). Las sondas de matriz en fase permiten dirigir electrónicamente el haz mediante la excitación desfasada de múltiples elementos piezoeléctricos, procedimiento central en ecocardiografía transtorácica y en ecografía obstétrica moderna.

Otras aplicaciones médicas

Litotricia extracorpórea por ondas de choque. Cuenta con generadores piezoeléctricos que producen pulsos de presión focalizados sobre cálculos renales o biliares. La fragmentación mecánica del cálculo permite su eliminación posterior por vías naturales.

Ecografía Doppler. Explota el desplazamiento de frecuencia entre la onda emitida y la reflejada por elementos en movimiento, especialmente la sangre. El elemento piezoeléctrico es el mismo; lo distinto es el procesamiento de la señal. Se emplea en el estudio de flujos vasculares, cardiología y obstetricia.

Bisturíes ultrasónicos y sistemas de disección. Utilizan la vibración del elemento piezoeléctrico a alta frecuencia para cortar y coagular tejidos con menor lesión térmica que los sistemas monopolares clásicos. Se aplican en cirugía general, otorrinolaringología y odontología.

Sensores biomédicos. Los polímeros piezoeléctricos flexibles se utilizan como sensores de presión y vibración en dispositivos wearables, pletismógrafos, sensores respiratorios y micrófonos endoscópicos.

Contexto histórico

Tras la descripción original de 1880, el uso técnico del efecto se desarrolló primero en aplicaciones militares. Durante la Primera Guerra Mundial, Paul Langevin diseñó los primeros generadores piezoeléctricos de ultrasonidos para detectar submarinos, precursores del sonar. La medicina llegó más tarde. En los años cuarenta, Karl Dussik en Austria intentó localizar tumores cerebrales por transmisión ultrasónica, con resultados limitados. La ecografía moderna en modo B, con imagen bidimensional en escala de grises, se consolidó en las décadas de los sesenta y setenta con las mejoras electrónicas y la introducción de cerámicas PZT como material piezoeléctrico estándar.

Diferenciación con fenómenos afines

Efecto piroeléctrico. Generación de carga eléctrica en ciertos cristales cuando cambian de temperatura. Solo lo presentan los cristales polares; todos los materiales piroeléctricos son piezoeléctricos, pero no al revés. El cuarzo es piezoeléctrico y no piroeléctrico.

Efecto Doppler. Cambio de frecuencia de una onda cuando la fuente y el receptor se mueven uno respecto al otro. En ecografía Doppler el elemento piezoeléctrico produce y detecta el ultrasonido; el análisis del desplazamiento de frecuencia es un procesamiento posterior de la señal. Se abordan en el efecto Doppler como fenómeno propio.

Efecto electrostrictivo. Deformación de un dieléctrico bajo un campo eléctrico, sin generación de polarización proporcional en sentido inverso. Todos los aislantes lo presentan en algún grado, pero la magnitud es habitualmente muy inferior a la del efecto piezoeléctrico converso y no tiene aplicación práctica en transductores biomédicos.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra piezoeléctrico?

Del griego piezein (πιέζειν, "presionar, apretar") y elektron (ἤλεκτρον, "ámbar", usado por metonimia para designar la electricidad, en referencia a la carga estática producida al frotar ámbar). Literalmente, "electricidad por presión". Lo acuñaron los hermanos Pierre y Jacques Curie hacia 1880.

¿Cómo puede la misma sonda ecográfica emitir y recibir ultrasonido?

Porque el efecto piezoeléctrico es reversible. Cuando el equipo aplica un pulso eléctrico, el cristal vibra y emite ultrasonido; cuando el eco reflejado regresa, hace vibrar el mismo cristal, que genera una señal eléctrica. La sonda alterna las dos funciones a intervalos de microsegundos.

¿Qué materiales se usan como transductores en las sondas modernas?

La mayoría de las sondas ecográficas emplean cerámicas piezoeléctricas de titanato-zirconato de plomo (PZT). Se están desarrollando alternativas sin plomo por razones medioambientales, y en dispositivos flexibles se recurre a polímeros como el polifluoruro de vinilideno (PVDF). El cuarzo natural, con el que trabajaron los Curie, ya no se usa en imagen médica por sus coeficientes electromecánicos relativamente bajos.

¿Interviene el efecto piezoeléctrico en la litotricia?

Sí, en los sistemas piezoeléctricos de litotricia extracorpórea. Múltiples elementos piezoeléctricos dispuestos sobre una superficie parabólica emiten simultáneamente pulsos de alta presión que se focalizan sobre el cálculo. Existen también litotritores electrohidráulicos y electromagnéticos que utilizan otros principios físicos.

¿Guarda relación con la piroelectricidad?

Sí. Los materiales piroeléctricos generan carga por cambios de temperatura, y todos ellos son también piezoeléctricos. Lo contrario no siempre se cumple: el cuarzo, por ejemplo, es piezoeléctrico pero no piroeléctrico.

Referencias

1. NYSORA - The New York School of Regional Anesthesia. Physics of Ultrasound.
2. Zhou Q, Lam KH, Zheng H, Qiu W, Shung KK. Piezoelectric films for high frequency ultrasonic transducers in biomedical applications. Progress in Materials Science, PMC.
3. Newman PG, Rozycki GS. The History of Ultrasound. Surgical Clinics of North America.
4. Pressbooks PALNI. Basic Principles of Ultrasound. Ultrasound Physics and its Application in Medicine.