La legislación comunitaria más reciente impone la sustitución de los materiales basados en el plomo por alternativas que no sean tóxicas y ofrezcan la misma funcionalidad que los productos ya presentes en el mercado. Esto conlleva repercusiones de especial relevancia para los dispositivos e instrumentos médicos equipados con materiales piezoeléctricos.
La tecnología de imagen y terapia por ultrasonidos, que se sirve de dispositivos piezoeléctricos, salva miles de vidas y cura un sinfín de dolencias. Estas herramientas optimizan la interacción electromecánica lineal que se produce gracias a los estados eléctricos y mecánicos que generan materiales cristalinos. El KNbO3 es un cristal inorgánico que normalmente se utiliza para láseres de baja y mediana potencia con duplicación de frecuencia. Recientemente se han descubierto las propiedades que aportan varias modificaciones del KNbO3, con las que se pueden obtener distintos dispositivos piezoeléctricos, en particular transductores ultrasónicos para uso médico e industrial. Sin embargo, hasta ahora los elevados costes de producción han convertido en prohibitivo el uso comercial de dichas combinaciones de cristales.
El proyecto «Cristales piezoeléctricos sin plomo, de alto rendimiento y baratos y sus aplicaciones en transductores para diagnóstico médico por ultrasonidos y herramientas y equipos industriales» (Immediate) representa un esfuerzo europeo en búsqueda de materiales piezoeléctricos alternativos, sin plomo, para su utilización en una amplia gama de dispositivos industriales y médicos, así como en otras aplicaciones. El objetivo del proyecto, financiado con fondos comunitarios y dirigido a las pequeñas y medianas empresas (PYME), era abordar las posibilidades de aplicación de transductores basados en el KNbO3 puro y modificado, así como la reducción de los costes de fabricación.
Por medio de la investigación y el desarrollo de las condiciones de crecimiento de los cristales, la elección del sustrato y la matriz empleada para el crecimiento, los socios participantes en el proyecto desarrollaron elementos piezoeléctricos basados en el KNbO3 de tipo monodominio y otros dotados de ingeniería de dominios. Se utilizaron cristales de KN para construir flujómetros o sondas Doppler transcraneales con que medir la velocidad del flujo sanguíneo cerebral. Para remediar el problema de la impedancia eléctrica o desajuste, la compensación eléctrica puso de manifiesto que las prestaciones de estas sondas o flujómetros eran superiores a las que ofrecían las versiones que empleaban transductores basados en el plomo. Se logró una importante bajada de los costes de fabricación de los cristales y se encontró una solución más práctica para las aplicaciones de baja frecuencia utilizando materiales sin plomo. Esto último se consiguió al desarrollar materiales de cerámica y cristales con composiciones modificadas.
Se utilizó un método de crecimiento de monocristal en estado sólido (Solid-state Single Crystal Growth, SSCG) para reducir los costes de la producción de cristales basados en el KN. Los esfuerzos invertidos en este aspecto se centraron en desarrollar cristales con ingeniería de dominios obtenidos por métodos de crecimiento a partir de soluciones a alta temperatura, o Top-Seeded Solution Growth (TSSG), para su empleo en prototipos. Los investigadores fueron capaces de demostrar que se puede emplear esta técnica para experimentar con el crecimiento de monocristales de materiales basados en el KN, que son difíciles de obtener con los métodos comunes.
Los integrantes del equipo fabricaron y probaron prototipos para todas las aplicaciones previstas, poniendo así de manifiesto que los materiales cerámicos presentan una excelente maquinabilidad, que hace posible producir componentes de pequeño tamaño para transductores compuestos. Aunque no se logró optimizar los resultados antes de finalizar el proyecto, sí fue posible trasladar la producción desde el laboratorio hasta la escala industrial.
Resultados seleccionados se han presentado en congresos internacionales y publicado en revistas científicas. Los resultados que arroja el proyecto tienen potencial para causar un impacto muy significativo en toda la amplia gama de aplicaciones con materiales piezoeléctricos y para brindar a las PYME una ventaja competitiva. La introducción de una técnica de procesamiento tan radicalmente innovadora puede servir para mejorar los dispositivos y el instrumental sanitario y de seguridad, con el valor añadido que aporta su respeto por el medio ambiente.
Este contenido ha sido publicado en la sección Noticias de Prevención de Riesgos Laborales en Prevention world.
