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Materiales piezoeléctricos Nº 3, 2010

Editorial En este nuevo número del boletín de vigilancia sobre materiales inteligentes se trata el tema de los materiales piezoeléctricos, por su gran aplicabilidad y extensión desde su descubrimiento. El efecto piezoeléctrico describe la relación entre una tensión mecánica y un voltaje eléctrico en sólidos. Es la capacidad de ciertos materiales –minerales, cerámicas y algunos polímeros- para producir una carga eléctrica en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. También puede observarse el efecto inverso, en el que los materiales piezoeléctricos se deforman por la aplicación de un campo eléctrico. A continuación se muestra esquemáticamente el efecto piezoeléctrico:

��

1

Editorial

1

Palabras clave

2

Visión actual

3

Publicaciones

3

Patentes

6

Proyectos en curso

9

Noticias

10

Eventos

12

En el efecto piezoeléctrico directo, la compresión y la expansión de un material genera cargas eléctricas opuestas sobre las caras respectivas de la muestra. En el efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de un voltaje a un material piezoeléctrico produce una cierta deformación. Este efecto es conocido desde hace más de un siglo y se lleva usando desde hace décadas en aplicaciones tan cotidianas como calentadores, cocinas, mecheros (al pulsar el botón, lo que hacemos es deformar un material piezoeléctrico hasta el punto que genera una chispa debido a la diferencia de potencial eléctrico).


La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por Jacques y Pierre Curie. Los hermanos Curie descubrieron que cuando se aplicaba una tensión a ciertos cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio y la sal Rochelle, aparecía una carga eléctrica, y su voltaje era proporcional a la tensión. De los materiales mencionados, solo el cuarzo se utiliza hoy en día comercialmente. Todos los demás cristales piezoeléctricos importantes desde el punto de vista práctico se obtienen de forma artificial. Si bien los materiales piezoeléctricos monocristalinos se siguen desarrollando, los materiales piezoeléctricos más utilizados son los materiales cerámicos policristalinos y los polímeros. Estos materiales presentan carácter piezoeléctrico después de haber sido sometidos a una polarización artificial. La cerámica piezoeléctrica más empleada se denomina titanato zirconato de plomo (PZT). Su composición química es Pb x (TiZr)1-xO3. Una de las composiciones comercialmente más típicas contiene aproximadamente el 47% de PbTiO 3 y el 53% de PbZrO 3. El polímero piezoeléctrico más desarrollado es el poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF). Los materiales piezocerámicos tienen la propiedad de ser rígidos y dúctiles, por lo que son buenos candidatos para emplearlos como actuadores, debido a su gran módulo de elasticidad, lo cual facilita el acoplamiento mecánico con la estructura. En cambio, los piezopolímeros están mejor preparados para actuar como sensores porque añaden una rigidez mínima a la estructura dada su flexibilidad y además son de fácil elaboración. La forma más habitual de emplearlos es como sensores de contacto y transductores acústicos en forma de lámina delgada. Los materiales piezoeléctricos han sido embebidos en materiales compuestos en aplicaciones como la amortiguación de vibraciones o la detección de impactos (como en los airbags, donde el material detecta la intensidad del choque y envía una señal eléctrica que activa el airbag). Un ejemplo interesante es el de los sensores piezoeléctricos de distribución constante como es el caso de las pinturas piezoeléctricas o inteligentes. Este tipo de pintura puede prepararse utilizando polvo cerámico a base de titanato zirconato de plomo como pigmento y con resina epóxica como aglomerante. La mezcla se aplica sobre una superficie y se cura y polariza a temperatura ambiente. La película de pintura resultante actúa como un sensor de vibraciones y emisiones acústicas para la superficie entera.

Palabras clave Las palabras clave utilizadas para la elaboración de este boletín han sido:

2

Piezoelectric

Piezoeléctrico

Piezoelectricity

Piezoelectricidad


Visión Actual Publicaciones

Para ver la evolución que ha tenido el estudio de los materiales piezoeléctricos en los últimos años, se han seleccionado los datos correspondientes a la publicación de artículos y publicaciones de conferencias entre el año 1980 y 2009. Para la realización de las búsquedas se ha utilizado la base de datos de la Web of Knowledge. A continuación se presenta un gráfico con los resultados obtenidos.

Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge

Como resultado de la búsqueda se han obtenido un total de 40.000 artículos. Podemos observar que aunque este tipo de materiales fueron descubiertos en el año 1880, cien años después aun no habían tenido un gran desarrollo. Es en el año 1991 cuando se observa un incremento en el estudio de estos materiales, tal y como ocurre también en otros materiales inteligentes como los materiales con memoria de forma. Haciendo una búsqueda desde el año 2005 hasta la actualidad, para obtener datos más recientes y las últimas investigaciones realizadas en este ámbito, se han obtenido un total de 19.662 publicaciones, siendo las instituciones que poseen un mayor número de publicaciones las que se detallan a continuación:

3


POSICIÓN

INSTITUCIÓN

Nº ARTÍCULOS

1

CHINESE ACAD SCI

465

2

PENN STATE UNIV

348

3

TSINGHUA UNIV

345

4

HONG KONG POLYTECH UNIV

272

5

HARBIN INST TECHNOL

253

6

INDIAN INST TECHNOL

223

7

TOKYO INST TECHNOL

198

8

NANYANG TECHNOL UNIV

192

9

NATL TAIWAN UNIV

192

10

GEORGIA INST TECHNOL

181

11

TOHOKU UNIV

164

12

NATL CHENG KUNG UNIV

160

13

NATL INST ADV IND SCI & TECHNOL

151

14

RUSSIAN ACAD SCI

147

15

ZHEJIANG UNIV

139

16

UNIV TOKYO

138

17

SHANGHAI JIAO TONG UNIV

135

18

UNIV NEBRASKA

129

19

HUAZHONG UNIV SCI & TECHNOL

126

20

HUNAN UNIV

121

21

NATL UNIV SINGAPORE

117

22

CNRS

116

23

CSIC

115

24

SEOUL NATL UNIV

115

25

SICHUAN UNIV

114

Como se puede observar, en los primeros puestos se encuentran instituciones Chinas, a excepción de la Penn State University de Estados Unidos que ocupa el segundo puesto. De estas veinticinco instituciones solo una tiene nacionalidad española, el CSIC, que se encuentra en el puesto 23. Para analizar más profundamente cuáles son los países que más están investigando desde el año 2005 en este campo se ha realizado el siguiente gráfico, que corresponde al porcentaje de publicaciones por países:

4


Fuente: elaboración propia, con datos de la W eb of Knowledge

Según los datos obtenidos, Estados Unidos es el país que en los últimos 5 años está publicando e investigando más en este tema, seguido de China y Japón, España representaría casi el 2% mundial. Por último, en el apartado de artículos, cabe destacar aquellos de más relevancia. Para determinarlo se ha establecido el criterio de importancia mediante el número de citaciones producidas en otros documentos. De esta manera, se ha conseguido la lista de los siguientes cinco artículos:

5

Título

Autor

Fuente

Vol.

Nº

Pág.

Fecha pub.

A comprehensive review of ZnO materials and devices

Ozgur U, Alivov YI, Liu C, et al.

Journal of applied physics

98

4

Revival of the magnetoelectric effect

Fiebig M

Journal of physics d-applied physics

38

8

R123R152

Abr 2006

Multiferroic and magnetoelectric materials

Eerenstein W, Mathur ND, Scott JF

Nature

442

7104

759765

Ago 2006

Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays

Wang ZL, Song JH

Science

312

5771

242246

Abr 2006

Direct-current nanogenerator driven by ultrasonic waves

Wang XD, Song JH, Liu J, et al.

Science

316

5821

102105

Abr 2007

Ago 2005


A continuación se detallan algunos de los libros más recientes dedicados a los materiales piezoeléctricos: Título

Autor

Editor

Seung-bok Choi; Youngmin Han

CRC Pr I Llc

2010

Piezoelectricity

Heywang, Walter; Lubitz, Karl; Wersing, Wolfram

Springer

2008

Piezoelectric transducers and applications

Arnau Vives, Antonio

Springer

2008

Piezoelectric Actuators: Applications of Smart Materials

Control

Año edición

Patentes

La primera aplicación que se obtuvo a partir de un material piezoeléctrico, tuvo lugar durante la Primera Guerra Mundial. En 1917, P. Langevin y otros compañeros empezaron a perfeccionar los detectores ultrasónicos submarinos. Este hecho estimuló una intensa actividad en el desarrollo de todo tipo de dispositivos piezoeléctricos. No obstante, los materiales disponibles en esa época a menudo limitaban el rendimiento de los dispositivos y su explotación comercial. Durante la Segunda Guerra Mundial, en Estados Unidos, Japón y la Unión Soviética, grupos de trabajo aislados dedicados a investigar la mejora de los materiales condensadores, descubrieron que ciertos materiales cerámicos (preparados por sinterizado de polvos de óxido metálico) mostraban constantes dieléctricas hasta 100 veces mayores que los cristales comunes. Además, esta misma clase de materiales (llamados ferroeléctricos) fueron producidos de forma que mejoraron sus propiedades piezoeléctricas. El descubrimiento de la facilidad de fabricación de las cerámicas piezoeléctricas con características de rendimiento asombrosas, provocaron el resurgimiento de la investigación y el desarrollo de los dispositivos piezoeléctricos. El desarrollo de los materiales y dispositivos piezoeléctricos se extendió por todo el mundo, pero fue claramente dominado por los grupos industriales de los EE.UU, que se aseguraron el liderazgo mediante el registro de patentes muy fuertes. Cabe señalar que durante este resurgimiento, especialmente en los EE.UU., el desarrollo de materiales y dispositivos se llevó a cabo bajo una política de elevado secretismo. En contraste con el “secreto político” practicado entre los fabricantes de Estados Unidos, varias compañías y universidades japonesas formaron en 1951 una asociación llamada Barium Titanate Application Research Committe. Esta asociación estableció un precedente de organización para superar con éxito no sólo desafíos técnicos y obstáculos de fabricación, sino también la definición de nuevas áreas de negocio para este tipo de materiales. A partir de 1965, las empresas japonesas comenzaron a obtener los primeros beneficios del constante trabajo de desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones iniciado en 1951. Desde una perspectiva internacional, Japón pasó a liderar este campo, desarrollando nuevo conocimiento, nuevas aplicaciones, nuevos procesos y nuevas áreas de negocio.

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El éxito comercial de los esfuerzos japoneses atrajo la atención de la industria en muchas otras naciones y estimuló un nuevo esfuerzo para desarrollar con éxito productos piezocerámicos. Este hecho se demuestra con el gran aumento del número de patentes registradas en las últimas décadas, tal y como se muestra en el gráfico de evolución. Otra evidencia de la gran actividad que se desarrolla alrededor de los materiales y dispositivos piezoeléctricos es el gran número de artículos publicados en los últimos años. Países como China, Rusia o la India han experimentado un elevado crecimiento en cuanto a publicaciones en los últimos años. A juzgar por el incremento de la actividad mundial, y por los éxitos hallados en el último cuarto del siglo XX y la primera década del siglo XXI, la búsqueda de nuevas oportunidades aún está en proceso. A continuación se muestra la evolución producida durante las últimas dos décadas en la publicación de patentes. La estrategia de búsqueda utilizada para la realización de este apartado ha sido mediante la palabra clave "piezoelectric*". Se han obtenido un total de 116.694 patentes publicadas desde el año 1980 hasta la fecha actual. El siguiente gráfico muestra dicha evolución:

Fuente: elaboración propia, con datos de la W eb of Knowledge

Este gráfico muestra una tendencia positiva a lo largo de las últimas décadas tal y como ya se ha comentado anteriormente.

7


A continuación se muestra el ranking de los países en que estas patentes tienen efecto: POSICIÓN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

PAÍS

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NºPATENTES

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A continuación se detallan los solicitantes más prolíficos en cuanto a registro de patentes, desde el año 2006 hasta la fecha actual: POSICIÓN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

8

SOLICITANTE

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Nº PATENTES

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18 19 20 21 22 23 24 25

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Como se puede comprobar la mayoría de empresas que figuran en este listado son japonesas.

A continuación se ha realizado un listado de las últimas patentes publicadas relacionadas con el tema: NºPUBLICACIÓN

SOLICITANTE

PAÍS ORÍGEN

CONTENIDO TÉCNICO

KR20100096225

NOKIA CORP

FINLANDIA

Dispositivo con un lente y un elemento piezoeléctrico configurado para doblarse en respuesta a la aplicación de un voltage.

KR20100097112

KONICA MINOLTA OPTO INC

JAPÓN

Actuador piezoeléctrico, dispositivo de guia, dispositivo de posicionamiento y módulo láser.

KR100984159

KYUNGWON FERRITE IND CO LTD

COREA

Método de fabricación de piezoeléctrico con froma de bola.

un

sensor

Proyectos en curso

High temperature sensors El objetivo del proyecto es investigar el efecto del dopaje en cerámicas en fase Antivillius con propiedades ferroeléctricas, piezoeléctricas, dieléctricas, punto Curie, conductividad eléctrica, envejecimiento. Fecha inicio / fecha final: 09-10-2009 / 08-10-2010 Entidad financiadora: Comisión Europea. FP7. Coordinación: Queen Mary and Westfield College, University of London http://www.qmul.ac.uk

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New micro-robotic systems featuring piezoelectric adaptive microstructures for sensing and actuating, with associated embedded control El proyecto se enfoca en una de las aplicaciones más prometedoras de los sistemas adaptativos piezoeléctricos: sistemas microrobóticos y microensamblajes para componentes micrométricos. Fecha inicio / fecha final: 03-07-2008 / 02-07-2010 Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7. Coordinación: Universite de Franche-Comte http://www.univ-fcomte.fr

Noticias Carreteras que generan energía Septiembre 2010

En Israel, ingenieros del centro tecnológico Innowattech han creado un nuevo tipo de material para carreteras, basado en unos cristales piezoeléctricos, para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito con un grosor muy fino. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 kW por kilómetro. http://www.ptcarretera.es/carreteras_que_generan_energia.html

Desarrollan una tecnología para cargar el móvil solo con la energía del cuerpo humano Marzo 2009

Científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, encabezados por el profesor Zhong Li Wang, han logrado captar la energía del entorno convirtiendo en electricidad vibraciones de baja frecuencia como los movimientos del cuerpo, del latido del corazón o del viento. Para ello utilizan nanocables piezoeléctricos de óxido de zinc cuyo diámetro es una vigésimoquinta parte del de un cabello humano. Según Wang, la ventaja de esta tecnología es que los nanocables pueden fijarse con facilidad a muchos tipos de superficies, por lo que los nanogeneradores funcionan igualmente en el aire o en un medio líquido si su envoltorio es el adecuado. También pueden colocarse sobre metales, polímeros, la ropa e incluso en tiendas de campaña. Los nanogeneradores tendrán múltiples aplicaciones en los campos de la defensa, el medioambiente, la biomedicina y la electrónica en general, añadió Wang.

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De momento, el principal desafío es aumentar su voltaje. Según el profesor, una vez puedan aumentar su voltaje de 0,5 a 1 voltios habrá importantes aplicaciones en muchos campos. El científico dijo que espera que de aquí a cinco años se pueda utilizar este sistema para hacer funcionar un reproductor mp3, un pequeño ordenador portátil o un teléfono móvil. http://www.madrimasd.org/informacionIDI/noticias/noticia.asp?id=38767

Nuevas técnicas en cirugía odontológica Julio 2009

La atrofia ósea severa con la consiguiente neumatización progresiva del seno maxilar puede hacer difícil la inserción de implantes dentales en ciertos pacientes. En este grupo de pacientes anatómicamente comprometidos, la colocación de los implantes dentales en una posición ideal puede verse dificultada por una altura, una anchura y una calidad no adecuada del hueso maxilar. La osteotomía Le Fort I con interposición de injerto óseo se ha demostrado como un concepto excelente para la rehabilitación dental de pacientes que precisan técnicas de cirugía preprotésica avanzada. El grupo de investigación de Mario Muñoz Guerra, del Hospital Universitario La Princesa (UAM), ha ideado una técnica novedosa que incide en el aspecto trascendente de la preservación de la integridad del seno maxilar y de la mucosa del suelo de las fosas nasales, realizando una modificación de los procedimientos previamente descritos e incidiendo en la utilidad del dispositivo piezoeléctrico (aparato que gracias a oscilaciones ultrasónicas tridimensionales controladas permite un corte selectivo y muy preciso, cortando exclusivamente tejido óseo y evitando el tejido blando) y de los rascadores de hueso. La técnica, publicada en Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, se realiza en un solo tiempo quirúrgico e incluye la colocación simultánea de los bloques de hueso y de los implantes de titanio. Las ventajas fundamentales de esta modificación incluyen: 1/ Proporciona una ganancia adecuada de la cantidad de hueso maxilar. 2/ Permite la colocación de implantes dentales en la posición más apropiada. 3/ Mejora la discrepancia entre maxilar y mandíbula típica del paciente con atrofia ósea. 4/ Minimiza la incidencia de complicaciones infecciosas secundarias a la movilización de estructuras en el seno maxilar y en las fosas nasales. http://www.uam.es/ss/Satellite/es/1234886344485/1242648450432/notcientifica/notCientific/1242 648450432.htm

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Eventos Existe una conferencia que presenta las últimas novedades en el campo de los materiales piezoeléctricos.

EVENTO

LOCALIZACIÓN

FECHA

PIEZO 2011: Electroceramics for End Users VI

Sestriere, Piedmont, Italia

28-02-2011 / 02-03-2011

Entidades que colaboran en la elaboración del Boletín:

Fundación OPTI

ASCAMM

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