Alternative non tossiche per applicazioni finalizzate alla sicurezza e alla salute
migliaia sono le vite salvate e le malattie curate grazie all'imaging a ultrasuoni e alle terapie che implicano l'uso di dispositivi piezoelettrici; questi strumenti ottimizzano l'interazione elettromeccanica lineare risultante dallo stato elettrico e meccanico generato dai materiali cristallini. Il Kaliumniobat, con formula bruta KNbO3, è un cristallo inorganico che normalmente si utilizza per raddoppiare la frequenza di laser a bassa e media potenza; alcune proprietà di recente scoperta, derivanti da alcune modifiche del Kaliumniobat, sono particolarmente promettenti per una vasta gamma di dispositivi piezoelettrici, specialmente per i trasduttori ultrasonici a uso industriale e medico, anche se gli elevati costi di produzione finora hanno reso proibitivo l'uso commerciale di queste combinazioni di cristalli. Il progetto Immediate ("Inexpensive, high-performance, lead-free piezoelectric crystals and their applications in transducers for ultrasonic medical diagnostic and industrial tools and equipments") ha spinto le risorse europee a trovare soluzioni alternative prive di piombo per i materiali piezoelettrici utilizzati in numerosi dispositivi medici e industriali e in altre applicazioni; scopo del progetto, finanziato dall'UE, era risolvere i problemi di appicabilità di trasduttori basati su KNbO3 puro e modificato per le PMI e per la riduzione dei costi di produzione. I partner del progetto hanno sviluppato elementi piezoelettrici basati sul Kaliumniobat a ingegnerizzazione del dominio e monodominio tramite lo sviluppo e l'analisi delle condizioni di crescita dei cristalli, la scelta dei substrati e la matrice utilizzata per la crescita; i cristalli KN sono stati utilizzati per costruire sonde Doppler per la misurazione transcranica della velocità del flusso sanguigno cerebrale. Per risolvere problemi di discrepanze o di impedenza elettrica, la compensazione elettrica ha dimostrato un rendimento delle sonde superiore rispetto a quelle che impiegano trasduttori in piombo; adoperando materiali privi di piombo, è stata possibile anche una sensibile riduzione dei costi di fabbricazione ed è stata trovata una soluzione più conveniente per applicazioni a bassa frequenza. Quest'ultimo risultato è stato ottenuto con lo sviluppo di ceramiche e cristalli con composizioni modificate. Per ridurre i costi della produzione di cristalli di KN è stato utilizzato un metodo di crescita di singoli cristalli allo stato solido (SSCG); l'impegno profuso in questa direzione si è incentrato sullo sviluppo di cristalli a ingegnerizzazione del dominio con il metodo TSSG (Top-Seeded Solution Growth) da utilizzare in prototipi. I ricercatori sono riusciti a dimostrare che questa tecnica può essere utilizzata per studiare la crescita di singoli cristalli di materiali in KN, il cui sviluppo sarebbe difficile con l'impiego di metodi convenzionali. I membri del team hanno fabbricato e sperimentato prototipi per tutte le applicazioni di destinazione, dimostrando che la lavorabilità della ceramica è eccellente e consente la produzione di elementi di piccole dimensioni per trasduttori compositi. Anche se l'ottimizzazione non è stata possibile prima della fine del progetto, si è riusciti a trasferire la produzione dal laboratorio al livello industriale. Determinati risultati sono stati presentati in occasione di conferenze internazionali e pubblicati nelle riviste scientifiche, e gli esiti del progetto promettono impatti significativi su un ampio spettro di applicazioni piezoelettriche e forniscono nuovi strumenti di sviluppo alle PMI. L'introduzione di una tecnica di elaborazione così innovativa può essere utilizzata per migliorare i dispositivi destinati alla salute e alla sicurezza, con un valore aggiunto in virtù della loro natura ecocompatibile.
