Ultrasonido y materiales piezoeléctricos: la ciencia detrás de las
imágenes
Arnaldo González Arias
16 septiembre 2024
|
0 |
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.
Figura 2. Ultrasonido diagnóstico. A la derecha,
imagen de una ecografía que muestra una imagen lateral de un feto de 12
semanas.(Adaptado de Freudenrich Craig.
How Ultrasound Works.
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.
Figura 3.
Sistema para soldar plásticos con ultrasonido (parte superior de calzado
atlético).
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.
Figura 4. Oscilación de una cerámica piezoeléctrica
al ser excitada por un voltaje alterno a una frecuencia determinada (la
variación de tamaño está muy exagerada en el dibujo).
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.
Figura 5. Estructura cristalina de una cerámica PZT.
Esta distribución se repite en el espacio en todo el material de manera
regular. La deformación espontánea crea un campo eléctrico interno de
polarización P, que también se manifiesta en el exterior. Y viceversa,
un campo eléctrico externo causa una deformación en el material. Por
encima de cierta temperatura crítica Tc la deformación
desaparece junto con la piezoelectricidad.
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.
