Nuevos polímeros piezoeléctricos
2007/12/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La piezoelectricidad --electricidad por presión, es la polarización eléctrica que se genera en un material por una tensión mecánica griega. Este fenómeno se conoce como efecto directo o efecto generador y se utiliza principalmente en la fabricación de sensores (micrófonos, sensores de ultrasonidos, etc.). ). Pero también ocurre lo contrario con los materiales piezoeléctricos, es decir, el efecto inverso o efecto motriz: una carga eléctrica produce la deformación mecánica del material. Por ello, los materiales piezoeléctricos también se utilizan en los actuadores. Son muy útiles, por ejemplo, en aquellos casos en los que se requieren movimientos de gran precisión, ya que mediante señales eléctricas se puede controlar la deformación de materiales piezoeléctricos con precisión micrométrica.
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880. Algunos cristales, como el cuarzo, demostraron un efecto piezoeléctrico directo. Sin embargo, hasta el comienzo de la Primera Guerra Mundial no se dio ninguna aplicación práctica a la piezoelectricidad. En aquella época, el físico francés Paul Langevin desarrolló el sonar de detección de submarinos por ultrasonidos utilizando el cuarzo como material piezoeléctrico.
El uso exitoso de la piezoelectricidad en Sonar dio un gran impulso a la investigación en materiales piezoeléctricos. Y a partir de entonces empezaron a encontrar nuevos materiales y aplicaciones.
Durante las últimas cuatro décadas se han utilizado como material piezoeléctrico cerámicas tipo perovskita (formadas por titanato de zirconio y plomo), sobre todo en aplicaciones acústicas. Por sus características son aptas para ello y se han utilizado con éxito para otras muchas cosas. Sin embargo, las cerámicas piezoeléctricas presentan desventajas como la baja deformación, la fragilidad y la alta densidad de masa. Así, no son adecuados para sectores como el aeronáutico o el eléctrico-electrónico. Estas limitaciones se pueden superar en aplicaciones específicas mediante la sustitución de materiales cerámicos por materiales piezoeléctricos poliméricos.
Algunos polímeros piezoeléctricos podían ser conocidos desde los años 20, pero hasta los años 60 no se les prestó mucha atención. Entonces, Fukada y sus compañeros descubrieron que al ejercer fuerza mecánica sobre las películas redondeadas de polipéptido y otros polímeros se producía una carga eléctrica en sus superficies. Posteriormente, Kawai descubrió en 1969 la capacidad piezoeléctrica del polifluoruro de vinilideno (PVDF). Esto supuso un gran avance, ya que el efecto piezoeléctrico observado en el PVDF era diez veces superior al observado en cualquier otro polímero.
Los polímeros piezoeléctricos son mucho más flexibles que las cerámicas, no se rompen, son más ligeros y son mucho más adaptables. Además, tienen mejores propiedades para la función de sensor. En la actualidad se utilizan polímeros piezoeléctricos en equipos médicos, robótica, electrónica y transductores, entre otros.
Pero el único polímero piezoeléctrico que existe actualmente en el mercado es aquel polifluoruro de vinilideno de 1969 --y sus copolímeros -. Se trata de un polímero semicristalino con propiedades piezoeléctricas muy buenas como se ha comentado anteriormente, pero que no soporta temperaturas superiores a 90ºC. A partir de esta temperatura, pierde la propiedad piezoeléctrica. Por ello, los investigadores están tratando de sintetizar nuevos polímeros piezoeléctricos capaces de mantener sus propiedades a temperaturas más altas para que los polímeros piezoeléctricos tengan más aplicaciones.
Piezoelectricidad a altas temperaturas
El Departamento de Plásticos y Composites de GAIKER-IK4 lleva varios años trabajando en este campo. Las investigaciones realizadas en colaboración con el Departamento de Química Física de la UPV han dado lugar a la creación de nuevos polímeros piezoeléctricos. También han solicitado patente en la Oficina Española de Patentes y Marcas.
Han creado polímeros piezoeléctricos amorfos capaces de soportar temperaturas superiores a las de los polímeros semicristalinos. Tras probar diferentes materiales, finalmente se optó por la utilización de poliimidas, por sus excelentes propiedades térmicas, mecánicas y dieléctricas. En estas moléculas se han introducido varios grupos dipolares (-CN, -SO 2 -, -CF 3 ), modificando su número y posición para modelizar sus propiedades físicas y por tanto sus propiedades piezoeléctricas.
Por otro lado, para estas poliimidas se ha considerado que el valor de la temperatura de transición vítrea es fundamental, ya que determina a qué temperatura se pierden las propiedades piezoeléctricas. Las poliimidas piezoeléctricas mantienen una estabilidad piezoeléctrica hasta los 150 ºC y no comienzan a degradarse hasta superar temperaturas superiores a los 400 ºC. Por tanto, las poliimidas piezoeléctricas pueden ser apropiadas para utilizar polímeros en condiciones hasta ahora inutilizadas.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
