A veces se hacen grandes descubrimientos sin que nadie se dé cuenta de su importancia. C V Raman, por ejemplo, ganó el Premio Nobel de Física en 1930 por descubrir que la luz puede cambiar de energía cuando se dispersa, aunque la espectroscopia Raman no se convirtió en una valiosa herramienta de investigación hasta mucho después de que se inventara el láser en 1960. Del mismo modo, pocos podrían haber imaginado que la descabellada pero audaz propuesta de Paul Dirac sobre las antipartículas -por la que ganó el premio Nobel en 1933- conduciría a la tomografía por emisión de positrones medio siglo después.

Pero hay un descubrimiento menos conocido -aunque importante- que también pasó desapercibido en su momento. Fue realizado hace 100 años, en 1920, por Joseph Valasek (1897-1993), que entonces era un estudiante de posgrado que trabajaba bajo la supervisión de William Swann en la Universidad de Minnesota, Minneapolis, Estados Unidos. Para desarrollar un sismógrafo que midiera las vibraciones de los terremotos, Valasek se preguntaba si se podría hacer con cristales piezoeléctricos, que crean una señal eléctrica cuando se aprietan.

El piezoeléctrico más fácil de conseguir que tenía a mano era una sustancia monocristalina sintetizada por primera vez en el siglo XVII por Pierre Seignette, un farmacéutico del puerto francés de La Rochelle. Extraída del vino, se conoció como sal de la Rochelle o sal de Seignette y tiene la fórmula química de tartrato sódico de potasio tetrahidratado (KNaC4H4O6-4H2O). Cuando Valasek colocó una muestra de este material en un campo eléctrico, E, observó que su polarización eléctrica resultante, P, hacía algo inusual.

A medida que aumentaba el campo, la polarización aumentaba, con la gráfica de P frente a E siguiendo una curva en forma de S. Sin embargo, cuando se volvía a bajar el campo, la polarización era siempre mayor que antes aunque siguiendo el mismo tipo de curva. En otras palabras, el valor preciso de la polarización dependía de si el campo subía o bajaba: mostraba histéresis (figura 1). Tan inusual fue esta observación que Swann la presentó en la reunión de abril de 1920 de la Sociedad Americana de Física en Gaithersburg, Maryland, en un artículo titulado «Piezoelectric and allied phenomena in Rochelle salt». (Como estudiante de doctorado de bajo nivel, Valasek ni siquiera asistió a la reunión.)

Swann y Valasek no sabían qué causaba la histéresis, pero había paralelismos con un descubrimiento que había hecho tres décadas antes el físico escocés James Alfred Ewing. Éste había observado un comportamiento similar en ciertos ferromagnetos, notando que el momento magnético depende de cómo haya cambiado el campo magnético. El descubrimiento de Valasek apuntaba, por tanto, a una clase totalmente nueva de materiales, en los que el momento dipolar eléctrico -y, por tanto, la polarización- depende de cómo haya cambiado el campo eléctrico.

Éxito rotundo

Ahora llamados «ferroeléctricos», estos materiales tienen algunas aplicaciones sorprendentes en la vida moderna (véase «Aplicaciones de los ferroeléctricos: cinco de las mejores»). Sin embargo, ni Swann ni Valasek habían oído hablar del término, acuñado en 1912 por Erwin Schrödinger tras predecir que ciertos líquidos pueden polarizarse espontáneamente cuando se solidifican. Además, el descubrimiento de Valasek pasó prácticamente desapercibido. A pesar de que escribió cuatro artículos sobre sus observaciones en Physical Review entre 1921 y 1924, con otra nota en Science en 1927, no se intentó establecer la base teórica de este fenómeno en toda la década de 1920.

La mayoría de los físicos, al parecer, estaban más interesados en la física cuántica y en otros fenómenos fundamentales como la difracción de Bragg y la espectroscopia Raman. De hecho, hasta finales de la década de 1930 no se volvió a utilizar la palabra «ferroelectricidad» en la literatura. La investigación no despegó realmente hasta que el físico Vitaly Ginzburg, futuro premio Nobel, escribió un artículo clásico sobre el tema en 1946, aunque incluso él lo llamó efecto «Seignettoeléctrico», ya que se había observado por primera vez en la sal de Seignette.

El campo también se vio impulsado por el descubrimiento durante la Segunda Guerra Mundial de otro material ferroeléctrico: el titanato de bario (BaTiO3). A diferencia de la sal de Rochelle, es insoluble en agua, químicamente estable a temperatura ambiente y tiene propiedades eléctricas y mecánicas mucho mejores. Por lo tanto, el titanato de bario era un material perfecto para los condensadores de alta densidad energética, aunque sólo después de la guerra los investigadores se dieron cuenta de que era ferroeléctrico con una histéresis reveladora en sus propiedades eléctricas.

Los teóricos empezaron ahora a desarrollar una comprensión adecuada del comportamiento de los ferroeléctricos, ayudados por los experimentalistas que empezaron a realizar cuidadosos análisis cristalográficos de la estructura de estos materiales. A finales de la década de 1950, se habían descubierto varios cientos de materiales ferroeléctricos basados en óxidos, pertenecientes a unas 30 familias estructurales diferentes, y los físicos probaron sus propiedades eléctricas y sopesaron su potencial para nuevas aplicaciones de dispositivos.

Una de las consecuencias de este estudio sistemático de los ferroeléctricos se produjo en 1968, cuando investigadores como Keitsiro Aizu, del Laboratorio Central de Investigación Hitachi de Tokio (Japón), predijeron que podría existir una relación similar a la histéresis entre la deformación elástica de un material y su tensión aplicada. Denominados «ferroelásticos», algunos de estos materiales son inusuales en el sentido de que si se enfrían por debajo de una temperatura específica y luego se distorsionan mecánicamente, recuperan su forma original si se vuelven a calentar.

Estos ferroelásticos, en otras palabras, «recuerdan» su forma física y geométrica original. Entre ellos se encuentran las «aleaciones con memoria de forma», como el níquel-titanio, muy utilizado en dispositivos de accionamiento y posicionamiento, mientras que otros se emplean en todo tipo de productos, desde cables eléctricos en el fondo del océano hasta monturas de gafas plegables. Los ferroelásticos se utilizan incluso en el espacio para formar antenas y otros artilugios que pueden plegarse y luego desplegarse cuando se calientan.

Conozca a la familia

A finales de la década de 1960, los físicos conocían por tanto tres familias de materiales que mostraban todos ellos histéresis: los ferroeléctricos, los ferromagnéticos y los ferroelásticos. Todos tienen en común que los dominios cristalinos vecinos tienen una propiedad particular que «apunta» en direcciones opuestas (dipolo eléctrico para los ferroeléctricos, magnetismo para los ferromagnéticos y deformación para los ferroelásticos) que puede «cambiarse» con un campo externo para que todos apunten en la misma dirección. De hecho, Ginzburg -y otro futuro premio Nobel, Lev Landau- fueron capaces de explicar el comportamiento de los tres tipos mediante una única y sencilla teoría fenomenológica.

Algunos científicos incluso empezaron a agrupar los materiales bajo la denominación común de «ferrosos», un nombre que se mantuvo en la literatura a pesar de que muchas de las sustancias no contenían realmente hierro. De hecho, en la década de 1970 también se descubrió una cuarta familia de materiales férricos, conocidos como «ferrotoroides», que presentan una histéresis en el campo toroidal (el producto cruzado del campo eléctrico y magnético). Incluyendo materiales como el fosfato de cobalto y litio (LiCo(PO4)3) tienen vórtices magnéticos en dominios vecinos que se pueden hacer alinear.

Y por si fuera poco, los investigadores también han encontrado materiales que combinan más de una propiedad ferrosa, ya sea en una sola fase o como estructura compuesta. Conocidos como «multiferrosos», incluyen materiales «magnetoeléctricos» en los que la magnetización puede ser controlada por un campo eléctrico y la polarización puede ser manipulada por un campo magnético (algo que Pierre Curie había sugerido ya en 1894). Estos materiales pueden, por ejemplo, medir los campos magnéticos del tamaño de una picotesla de las neuronas humanas a temperatura ambiente.

Lo más interesante de los ferroeléctricos es que estos materiales también son piezoeléctricos (generan electricidad cuando se les somete a tensión) y piroeléctricos (generan electricidad cuando se les somete a una variación de temperatura). Estas propiedades únicas han hecho que los ferroeléctricos se utilicen en muchas aplicaciones, desde condensadores de alta densidad energética y dispositivos de visión nocturna hasta equipos médicos de ultrasonidos, tecnologías inteligentes para la recolección de energía y actuadores y traductores. Incluso se pueden encontrar ferroeléctricos en alarmas antirrobo, encendedores y monitores de frecuencia cardíaca y presión arterial.

El futuro es ferroeléctrico

Un siglo después del descubrimiento de la ferroelectricidad, lo que comenzó como un campo de investigación de nicho ha crecido enormemente, con más de 20.000 artículos de investigación publicados sobre el tema hasta la fecha, impulsado por su miríada de aplicaciones desde la escala nano hasta la macroscópica. Incluso se ha extendido a la biología, pues se ha descubierto que el comportamiento ferroeléctrico se da, por ejemplo, en los aminoácidos y en la pared de los vasos sanguíneos de la aorta de los cerdos. Los ferroeléctricos podrían incluso utilizarse para fabricar sensores que reproduzcan muchos «sistemas sensoriales multifuncionales» humanos.

Otros desarrollos interesantes incluyen materiales exóticos como los «relajadores» (en los que la respuesta dieléctrica depende de la frecuencia del campo aplicado) y la «paraelectricidad cuántica» (en la que las fluctuaciones cuánticas suprimen la aparición del orden ferroeléctrico). Los investigadores también han empezado a estudiar los ferroeléctricos 2D, con la deposición átomo por átomo y los cálculos de primeros principios que apuntan a nuevos tipos de dispositivos y sensores a nanoescala que podrían ser especialmente útiles para estudiar el cuerpo humano. Al fin y al cabo, la piel, el pelo, las uñas y muchos otros tejidos biológicos se comportan como piezoeléctricos y ferroeléctricos cuando se exponen a un campo eléctrico, y los microscopios de fuerza piezorrespuesta ya proporcionan datos cuantitativos sobre la biofuncionalidad humana.

Incluso la física fundamental no ha sido inmune al poder de los ferroeléctricos, y los investigadores han observado recientemente por primera vez defectos topológicos exóticos llamados «skyrmions polares» y «hopfions polares» en materiales ferroeléctricos. Lo que comenzó como una inocua observación experimental por parte de un estudiante de posgrado hace un siglo, creemos que seguirá beneficiando a la ciencia, la tecnología y la vida durante otros 100 años y más.

Aplicaciones de los ferroeléctricos: cinco de las mejores

Condensadores de alta energía y dispositivos eficientes de almacenamiento de energía

Una gran ventaja de los materiales ferroeléctricos es que tienen una constante dieléctrica muy alta, lo que significa que pueden almacenar mucha energía. Por ello, la mayoría de los condensadores en aplicaciones de alta densidad energética, como las baterías compactas, contienen materiales ferroeléctricos. Y a pesar de comportarse como aislantes con una resistencia eléctrica muy alta, los ferroeléctricos también han desempeñado un papel clave en el descubrimiento de una nueva clase de materiales con resistencia cero. A mediados de la década de 1980, el físico Alex Müller, futuro premio Nobel, trabajaba en el laboratorio de investigación de IBM en Zúrich estudiando las perovskitas, un grupo de materiales que incluye a los ferroeléctricos. Modificando la composición pero manteniendo su estructura básica, descubrió que estos materiales conducían la corriente sin resistencia a unos 40 K, mientras que otros encontraron un comportamiento similar a temperaturas de nitrógeno líquido. Así que podemos dar las gracias a los ferroeléctricos por ser superconductores de alta temperatura.

Tecnología de visión nocturna

Las cámaras que pueden «ver» de noche requieren materiales que generen carga eléctrica en respuesta a las variaciones de temperatura. Los piroeléctricos, que generan un voltaje cuando se calientan o se enfrían, pueden hacer el trabajo, pero es mejor utilizar ferroeléctricos como el sulfato de triglicina. Tienen un «coeficiente piroeléctrico» mucho mayor y pueden resolver diferencias de temperatura tan pequeñas como 0,01 K. La radiación infrarroja de, por ejemplo, un cuerpo humano puede enfocarse sobre matrices de materiales ferroeléctricos, que absorben la luz y la convierten en un voltaje que puede utilizarse para crear una imagen correspondiente al perfil de temperatura de la persona. Estas cámaras también se utilizan en medicina, seguridad y visión nocturna. Los zoólogos han utilizado incluso dispositivos de visión nocturna para ver animales que antes creían extinguidos, como los perros salvajes de Nueva Guinea.

Ultrasonido médico y acústica submarina

Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, lo que significa que generan una tensión eléctrica cuando son sometidos a presión por un objeto. El voltaje puede utilizarse entonces para crear una imagen del objeto. Sin embargo, la presión no tiene por qué ser por contacto físico directo: también puede provenir de las ondas sonoras reflejadas en un objeto que está sometido a tensión. Por ello, los ferroeléctricos se utilizan mucho en medicina para obtener imágenes de los bebés no nacidos y comprobar cómo crecen y se desarrollan dentro del vientre materno. Un principio similar se encuentra detrás del hidrófono: un dispositivo que puede recoger las ondas sonoras que rebotan en los objetos submarinos, como los bancos de peces. Los ferroeléctricos también se han utilizado para cartografiar la topografía del fondo oceánico -como en 2014, cuando se utilizaron para localizar el vuelo MH370 de Malaysian Airlines, que desapareció en algún lugar del sur del océano Índico en un vuelo de Kuala Lumpur a Pekín-.

Actuadores y traductores

Dado que todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, si se aplica un campo eléctrico, el material cambiará de dimensión a lo largo de una o más direcciones permitidas según determine su estructura cristalina básica. El cambio de tamaño puede ser de apenas unos pocos picómetros por voltio, pero aún así puede ser muy valioso. Los ferroeléctricos como el titanato de circonio y plomo, por ejemplo, se utilizan en los microscopios de fuerza atómica para ver los átomos individuales de los materiales y también en los microscopios de efecto túnel, por los que Gerd Binnig y Heinrich Rohrer ganaron el Premio Nobel de Física en 1986. También se pueden encontrar materiales similares en los microscopios de piezofuerza y en los de magnetofuerza. De hecho, otro ferroeléctrico -niobato de plomo y magnesio/titanato de plomo- formó parte del dispositivo que la NASA utilizó en 1991 para corregir los defectos del espejo del telescopio espacial Hubble. Las imágenes que antes estaban deslavadas, como la del núcleo de la galaxia M100, eran ahora mucho más claras (comparar arriba a la izquierda y a la derecha).

Colección de energía

Los materiales ferroeléctricos pueden generar electricidad bajo la influencia de un empuje de entrada, lo que significa que algunos -como el titanato de circonio y plomo incrustado en un polímero- podrían utilizarse para cosechar la energía de coches y camiones que, de otro modo, se pierde en forma de calor o ruido. En la actualidad, la energía que pueden generar estos dispositivos es relativamente pequeña (unos pocos milivatios) y se basa en láminas de difluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus compuestos poliméricos. Pero si encontramos formas baratas de aumentar la producción de dispositivos, podríamos estar ante un ganador. Otra aplicación prometedora de los dispositivos de captación de energía es la medicina y la biología, en las que sólo intervienen energías muy pequeñas. Podrían ser una gran ayuda para los pacientes a los que se les ha colocado un marcapasos mecánico a pilas para mantener el bombeo de su corazón. Si las baterías se agotan, la única forma de sustituirlas es que un cirujano opere al paciente. Pero si las baterías pudieran recargarse con el voltaje generado en un material ferroeléctrico directamente por el empuje de los latidos del corazón, esas operaciones serían cosa del pasado.