Nuevo Material Piezoeléctrico Sin Plomo Promete Sensores y Electrónica Flexible

Investigadores en el Reino Unido han diseñado un material libre de plomo con prometedoras propiedades piezoeléctricas (J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c15484). Los materiales piezoeléctricos transforman la presión en chispas de electricidad, como el pedernal de un encendedor, pero generalmente dependen de componentes cerámicos tóxicos y difíciles de fabricar. El nuevo material, basado en yoduro de bismuto, demostró un rendimiento piezoeléctrico récord y amplía las opciones para soluciones de bajo costo y sostenibles para sensores, dispositivos vestibles y electrónica impresa.

Los perovskitas y los materiales relacionados con perovskitas, populares por sus aplicaciones en células solares, son bien conocidos por presentar propiedades piezoeléctricas, explica Esther Hung, autora principal de la investigación, de la Universidad de Oxford. Aunque muchos estudios han demostrado que los perovskitas y materiales relacionados pueden funcionar de manera comparable a los piezoeléctricos cerámicos convencionales, la mayoría se basa en metales tóxicos como el plomo. En este caso, sin embargo, los investigadores “seleccionaron cuidadosamente componentes orgánicos e inorgánicos para diseñar un piezoeléctrico libre de plomo, basado en yoduro de bismuto, que tiene un rendimiento piezoeléctrico récord”, afirma Hung.

En este caso, los componentes crean una asimetría artificial en la estructura del material, lo que induce una distorsión y una separación de cargas electrostáticas. Esta separación, también conocida como polarización, crea las condiciones necesarias para que el material responda a la presión y produzca el efecto piezoeléctrico. El nuevo material exhibe el coeficiente piezoeléctrico más alto jamás reportado para este tipo de compuesto, generando una fuerte respuesta eléctrica en relación con la presión aplicada. La estructura, similar a la de una perovskita, consta de un catión orgánico y un iodobismutato inorgánico, un anión que contiene yodo y bismuto.

En un cálculo computacional, un catión orgánico con asimetría añadida mostró una polarización seis veces más fuerte que la de una estructura simétrica. El efecto es aún mayor en el caso del anión inorgánico, que “introduce interacciones intermoleculares para inducir intencionalmente la inclinación y la distorsión y aumentar la asimetría”, explica Jovana V. Milić, especialista en materiales inteligentes de la Universidad de Turku que no participó en el nuevo trabajo. En general, las modificaciones al catión y al anión aumentan la polarización hasta 10 veces más que con las estructuras simétricas, un resultado respaldado por las mediciones experimentales de las propiedades piezoeléctricas. “Esta polarización mejorada es fundamental para la respuesta piezoeléctrica”, añade Milić.

Además de que el material carece de componentes a base de plomo, la estrategia de síntesis para este nuevo material también es más sostenible. “En marcado contraste con los materiales piezoeléctricos cerámicos, que generalmente requieren cientos de horas de procesamiento y procesos de alta temperatura y alta presión, [nuestro] material se sintetiza como cristales únicos en menos de una hora y por debajo de los 100 °C”, dice Hung. Y los métodos mecanoquímicos hacen que la preparación de lotes a granel de este piezoeléctrico sea atractiva para una fácil ampliación. “Las estrategias de síntesis se basan en métodos comunes, como el crecimiento de cristales únicos, el procesamiento de películas delgadas y la mecanosíntesis, lo que significa que el material [podría] ser implementado por ingenieros”, añade Hung.

“Este nuevo halobismutato, un material libre de plomo, muestra una respuesta piezoeléctrica récord”, explica Luis Lanzetta, experto en materiales relacionados con perovskitas del Instituto de Materiales Avanzados de la Universidad Jaume I, que no participó en el estudio. “Este rendimiento es muy prometedor ya que es comparable a los piezoeléctricos a base de plomo comerciales, que siguen siendo bastante tóxicos y difíciles de fabricar”. Lanzetta también elogia el ingenio de esta investigación, ya que rara vez se han explorado haluros similares como piezoeléctricos. “La mayoría de los estudios se centran en las propiedades optoelectrónicas para usos en células solares y diodos emisores de luz”, dice. “Estas propiedades piezoeléctricas son otro ejemplo de su versatilidad”.

“Las características competitivas de este material libre de plomo… abren el camino a piezoeléctricos más sostenibles”, explica Milić. Las estructuras cerámicas de los piezoeléctricos convencionales generalmente son incompatibles con las aplicaciones emergentes en la electrónica impresa, que requieren flexibilidad y fabricación de bajo costo. Dado que el nuevo piezoeléctrico es más sostenible, no es tóxico y tiene un rendimiento comparable a los piezoeléctricos inorgánicos comerciales, es más adecuado para la electrónica inteligente. El procesamiento de los piezoeléctricos en soluciones y películas delgadas facilita la fabricación de dispositivos inteligentes, utilizando sistemas ya disponibles en plantas de fabricación de semiconductores. Los piezoeléctricos libres de plomo podrían superar las estrictas regulaciones internacionales que restringen los productos químicos peligrosos y también podrían volverse “particularmente relevantes para las tecnologías emergentes, como los dispositivos vestibles, los sensores y la electrónica flexible autoalimentada”, dice Milić.