Piezoeléctrico

Qué significa que un material sea piezoeléctrico

La palabra procede del griego piézein, presionar, unido al sufijo relativo a la electricidad. Un cristal o una cerámica piezoeléctrica carecen de centro de simetría en su estructura interna; al comprimirlos, sus cargas positivas y negativas se desplazan en direcciones opuestas y aparece una diferencia de potencial medible entre sus caras. El fenómeno también funciona al revés: aplicar una corriente alterna al mismo material lo hace vibrar a una frecuencia precisa. A esa reversibilidad se debe que un mismo cristal pueda emitir y recibir energía mecánica, algo que resulta decisivo en cualquier sonda de ultrasonido.

El descubrimiento de los hermanos Curie

Pierre Curie y su hermano mayor Paul-Jacques lo describieron en 1880 trabajando con cuarzo y otros cristales. Años después, Paul Langevin, alumno de Pierre Curie, desarrolló los primeros materiales piezoeléctricos capaces de generar y captar vibraciones de alta frecuencia, lo que permitió emplear el ultrasonido durante la Primera Guerra Mundial para detectar submarinos. La aplicación médica llegó más tarde. A finales de los años veinte, Langevin ya había comprobado que el ultrasonido de alta potencia calentaba el hueso y alteraba el tejido animal, una observación que anticipó tanto sus usos terapéuticos como los riesgos que exige controlar en la práctica clínica actual.

Tipos de materiales piezoeléctricos

No todos los materiales piezoeléctricos son iguales. Los cristales naturales, como el cuarzo, ofrecen una respuesta modesta pero muy estable frente a la temperatura, lo que los hace útiles en relojería y en ciertos sensores de precisión. Las cerámicas sintéticas, entre las que destaca el titanato circonato de plomo, conocido por sus siglas PZT, generan una señal mucho más intensa y son las que predominan hoy en los transductores de uso médico. Existe además un tercer grupo, menos conocido fuera del ámbito de la investigación: los tejidos biológicos con estructura de colágeno, entre ellos el hueso, que también exhiben propiedades piezoeléctricas. El fenómeno se describió en 1957 y ayuda a explicar por qué el hueso genera pequeños potenciales eléctricos cuando se somete a carga mecánica, un dato que ha alimentado décadas de investigación sobre remodelado óseo.

Aplicaciones en medicina

El uso más extendido es el diagnóstico por imagen: el transductor de un ecógrafo contiene elementos piezoeléctricos que emiten pulsos de ultrasonido y recogen después el eco que regresa desde los tejidos. Esa aplicación se desarrolla con más detalle en las entradas dedicadas al ecógrafo y al transductor. Los mismos cristales, dispuestos de otra manera, generan las ondas de choque de la litotricia extracorpórea, empleada para fragmentar cálculos urinarios. En cirugía oral y maxilofacial, la denominada piezocirugía aprovecha la vibración de una cerámica piezoeléctrica para seccionar hueso con gran precisión mientras respeta el tejido blando circundante, una ventaja que la distingue de las fresas rotatorias convencionales.

Diferenciación con conceptos relacionados

Piezoeléctrico es el adjetivo que describe al material; el fenómeno físico que ese material exhibe recibe su propio nombre y se desarrolla en la entrada correspondiente. Conviene no confundirlo tampoco con ecogénico, término que no describe una propiedad eléctrica sino la capacidad de un tejido para reflejar los ultrasonidos y producir brillo en la imagen resultante.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa literalmente la palabra piezoeléctrico?

Combina el griego piézein, presionar o apretar, con la referencia a la electricidad. Describe, por tanto, un material que produce electricidad al ser presionado.

¿El hueso humano es realmente piezoeléctrico?

Sí. Fukada y Yasuda lo demostraron en 1957: el colágeno del hueso genera pequeños potenciales eléctricos cuando se deforma mecánicamente, un mecanismo que distintos grupos de investigación relacionan desde entonces con la forma en que el hueso se remodela ante la carga a la que se somete.

¿Cuál es la diferencia entre el cuarzo y las cerámicas como el PZT?

El cuarzo es un cristal natural, estable pero de respuesta débil. El PZT es una cerámica sintética con una señal mucho más intensa, y por eso domina en los transductores médicos actuales.

¿Se usa el mismo cristal para emitir y para recibir ultrasonido?

En la mayoría de las sondas, sí. La reversibilidad del fenómeno permite que un mismo elemento piezoeléctrico emita el pulso y, milisegundos después, capte el eco de retorno, sin necesidad de dos componentes separados.

Referencias

1. NYSORA. Física del ultrasonido. Disponible en: nysora.com.
2. Revista Española de Cirugía Oral y Maxilofacial. Exodoncia de terceros molares inferiores con dispositivos piezoeléctricos: revisión de la literatura. Disponible en: elsevier.es.
3. Scielo Venezuela. Modelado piezoeléctrico del hueso por el método de los elementos de contorno. Disponible en: ve.scielo.org.
4. Wikipedia. Piezoelectricidad. Disponible en: es.wikipedia.org.