El oído es capaz de detectar sonidos a frecuencias de 20 – 20 000 hertz. Se transmiten en el aire a una velocidad de 340 metros/segundo mediante ondas de presión (ondas sonoras); 1 hertz (Hz) equivale a una oscilación por segundo. La separación entre la región mínima y máxima de presión es de unos pocos centímetros, o fracciones. Este conocimiento es esencial para entender el vínculo entre ultrasonido y los materiales piezoeléctricos.
Lo que usualmente se conoce por ‘sonido’ no es más que la impresión que causa en el cerebro la vibración de la membrana timpánica en el oído cuando es excitada por vibraciones del aire en el intervalo adecuado de frecuencias (figura 1). La frecuencia de la vibración es el número de veces por segundo que oscila la presión del aire sobre el tímpano. Si la frecuencia es pequeña, el tono que se escucha es grave o bajo; si es grande, el tono es alto o agudo.
La bocina de un equipo de audio genera vibraciones que se transmiten al aire, los líquidos y algunos sólidos. Nuestro oído es capaz de percibir esas vibraciones, registrarlas e interpretarlas. El proceso es similar para todo lo que vibre a esas frecuencias: cuerdas vocales, instrumentos musicales, golpes, chirridos o cualquier otro tipo de ruido. Las mezclas de frecuencias determinan las características de un sonido particular – su timbre. La potencia del cambio de presión determina su intensidad.
Un equipo de ultrasonido genera sonidos no audibles para el oído humano, por encima de los 20 000 Hz (1-5 megahertz), pues el tímpano no responde a esas frecuencias; no obstante, el ultrasonido se puede transmitir y reflejar de la misma forma que el sonido audible.
Imágenes médicas
El ultrasonido diagnóstico o ultrasonografía es quizás la técnica de imágenes médicas más utilizada en la actualidad a causa de su relativa sencillez, el costo relativamente bajo del equipamiento y el hecho de que no causa efectos secundarios en el paciente. Es la técnica preferida para visualizar el feto de las gestantes, pues los sonidos son capaces de viajar dentro del cuerpo humano, reflejarse en los tejidos y registrarse y proyectarse en una pantalla por medios electrónicos (figura 2). Es también una forma rápida y eficaz de detectar tumores.
En Obstetricia y Ginecología se utiliza para medir el tamaño del feto, su sexo, verificar su crecimiento, y determinar su posición y la de la placenta. También permite determinar los falsos embarazos (embarazo ectópico), detectar tumores y monitorear procesos complejos como, por ejemplo, tomar muestras de fluido amniótico.
Los métodos ultrasonográficos más avanzados (ultrasonido Doppler) también permiten evaluar problemas de circulación en las extremidades o en el corazón; en los riñones, encontrar cálculos y medir el flujo sanguíneo, y también detectar el cáncer de próstata en forma temprana. Se usa muy poco en obstetricia pues su potencia es mucho mayor y puede producir efectos adversos en el feto.
Además de su amplia aplicación en la medicina, el ultrasonido se utiliza en otras actividades tales como medir distancias, caracterizar materiales en ensayos no destructivos, detectar posibles anomalías en construcciones civiles y en la limpieza de objetos. Igual se usa para detectar obstáculos y objetos en el aire o bajo el agua, incluyendo bancos de peces, y para soldar plásticos. La figura 3 muestra un equipo utilizado con estos fines en aplicaciones recientes.
Transductores piezoeléctricos
La parte principal de un equipo de ultrasonido es el transductor. Ahí se convierten los impulsos eléctricos en ondas sonoras, al generar vibraciones en un sólido piezoeléctrico (electricidad por presión), que varía de tamaño acorde a las señales eléctricas que recibe, generando a su vez ondas de sonido (figura 4).
El transductor también funciona de manera inversa: puede captar las ondas reflejadas y convertirlas en impulsos eléctricos; un mismo transductor funciona como emisor y como receptor de forma alterna durante fracciones de segundo. Todo se controla por vía electrónica de manera automática. La sonda o cabezal de prueba también contiene algunos sistemas auxiliares como sustancias absorbentes – que evitan reflexiones adicionales – y un lente acústico para concentrar las ondas de sonido.
Materiales piezoeléctricos libres de plomo
Los primeros transductores piezoeléctricos eran de cuarzo, mineral que se obtiene en la naturaleza. Sus propiedades eléctricas se descubrieron a finales del siglo XIX. Muy pronto surgieron materiales sintéticos más eficientes para generar ondas de sonido; la cerámica de titanato de bario BaTiO3, por ejemplo, se encontró en 1946.
Pero durante muchos años los piezoeléctricos más utilizados han sido los denominados PZT, óxidos compuestos formados a partir de plomo, zirconio y titanio con fórmula básica PbZr1-xTixO3 (zirconato titanato de plomo) con estructura cristalina tipo perovskita, descubiertos en 1954 y optimizados en investigaciones posteriores. La figura 5 muestra un esquema de la estructura cristalina de estos materiales a nivel microscópico.
La forma más común de sintetizar estos materiales es mediante un proceso cerámico convencional, que en lo esencial consiste en pulverizar la mezcla de óxidos de Pb, Zr y Ti en las proporciones adecuadas, usualmente añadiendo algún microcomponente. Luego se calienta a un 75 por ciento de la temperatura final de cocción para iniciar la reacción en fase sólida, se lleva a cabo una segunda trituración para homogeneizar e incrementar la reactividad de los polvos, se prensa en moldes adecuados, según la forma final que se desea tenga el producto y finalmente, se calienta a temperaturas del orden de los 1300 °C. Después la pieza se desbasta y pule, se le da la forma final y se somete a los efectos de un campo eléctrico externo para ordenar las cargas eléctricas internas; este último proceso es esencial para incrementar las propiedades piezoeléctricas del material.
Sin embargo, dada la conocida toxicidad del plomo, en la Unión Europea, China, Japón y otros países han surgido legislaciones estrictas dirigidas a reducir el uso del plomo en los circuitos electrónicos. Esto ha estimulado las investigaciones en la dirección de encontrar materiales piezoeléctricos libres de plomo para sustituir a los PZT.
En la actualidad se investigan para su aplicación una serie de materiales que poseen propiedades similares, aunque algunos ya se comercializan, pero con escasos resultados hasta el momento, pues poseen propiedades inferiores a los PZT y no se pueden sustituir directamente en los equipos existentes.
Se conocen como materiales KNN (K0.5Na0.5NbO3), BNT (Bi0.5Na0.5TiO3) y BFO (BiFeO3)[1],[2],[3],[4]. Un extenso artículo de revisión publicado en 2020 concluye que, por el momento, las propiedades de estos materiales no son suficientes para sustituir los piezoeléctricos que contienen plomo, por lo que se necesita profundizar en las investigaciones para mejorar sus propiedades.[5]
Bibliografía
[3] Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya, M. Nakamura, Nature 432, 2004, 84-87.
[4] H. Park, J. Choi, M. Choi, K. Cho, S. Nahm, H. Lee, H. Kang, J. Am. Ceram. Soc. 2008, 91, 2374–2377.
[5] Y. Wang, D. Damjanovic, N. Klein, E. Hollenstein and N. Setter, J. Am. Ceram. Soc. 90 (2007) 3485–3489.
[6] R. López-Juárez, F. González-García, J. Zarate-Medina, R. Escalona-González, S. Díaz, de la Torre, M.E. Villafuerte-Castrejón, J. Alloy. Compd. 509 (2011) 3837–3842.
[7] Jiagang Wu, Perovskite lead-free piezoelectric ceramics, J. Appl. Phys. 127, 190901 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0006261