L’effetto piezoelettrico è una proprietà unica di alcuni cristalli in cui genereranno un campo elettrico o corrente se sottoposti a stress fisico. Lo stesso effetto può essere osservato anche al contrario, dove un campo elettrico imposto al cristallo metterà a dura prova la sua struttura. L’effetto piezoelettrico è essenziale per i trasduttori, che sono componenti elettrici utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni di sensori e circuiti. Nonostante la versatilità del fenomeno per applicazioni in dispositivi elettromeccanici, fu scoperto nel 1880, ma non trovò largo impiego fino a circa mezzo secolo dopo. I tipi di strutture cristalline che mostrano l’effetto piezoelettrico includono quarzo, topazio e sale di Rochelle, che è un tipo di sale di potassio con la formula chimica di KNaC4H4O6 4H2O.
A Pierre Curie, famoso per aver vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1903 per la ricerca sulle radiazioni con sua moglie Marie, è attribuito il merito di aver scoperto l’effetto piezoelettrico con suo fratello Jacques Curie nel 1880. I fratelli all’epoca non scoprirono l’effetto piezoelettrico inverso , tuttavia, dove l’elettricità deforma i cristalli. Gabriel Lippmann, un fisico franco-lussemburghese, è accreditato della scoperta dell’effetto inverso l’anno successivo, che ha portato alla sua invenzione dell’elettrometro Lippmann nel 1883, un dispositivo al centro del funzionamento della prima macchina per elettrocardiografia sperimentale (ECG).
Gli effetti piezoelettrici hanno la proprietà unica di sviluppare spesso migliaia di volt di differenza di potenziale di energia elettrica con livelli di corrente molto bassi. Ciò rende anche minuscoli cristalli piezoelettrici oggetti utili per generare scintille in apparecchiature di accensione come i forni a gas. Altri usi comuni per i cristalli piezoelettrici includono il controllo di movimenti precisi in microscopi, stampanti e orologi elettronici.
Il processo mediante il quale avviene l’effetto piezoelettrico si basa sulla struttura fondamentale di un reticolo cristallino. I cristalli hanno generalmente un equilibrio di carica in cui le cariche negative e positive si annullano a vicenda lungo i piani rigidi del reticolo cristallino. Quando questo equilibrio di carica viene interrotto applicando uno stress fisico a un cristallo, l’energia viene trasferita da portatori di carica elettrica, creando una corrente nel cristallo. Con l’effetto piezoelettrico inverso, l’applicazione di un campo elettrico esterno al cristallo squilibrerà lo stato di carica neutra, che si traduce in stress meccanico e leggero riaggiustamento della struttura reticolare.
A partire dal 2011, l’effetto piezoelettrico è stato ampiamente monopolizzato e utilizzato in qualsiasi cosa, dagli orologi al quarzo agli accenditori per scaldabagni, griglie portatili e persino alcuni accendini portatili. Nelle stampanti per computer, i minuscoli cristalli vengono utilizzati sugli ugelli delle stampanti a getto d’inchiostro per bloccare il flusso di inchiostro. Quando viene applicata una corrente, si deformano, consentendo all’inchiostro di fluire sulla carta in volumi accuratamente controllati per produrre testo e immagini.
L’effetto piezoelettrico può essere utilizzato anche per generare suoni per altoparlanti in miniatura negli orologi e nei trasduttori sonici per misurare le distanze tra oggetti come per i rilevatori di perni nel settore edile. Anche i trasduttori ad ultrasuoni sono basati su cristalli piezoelettrici e molti microfoni. A partire dal 2011, usano cristalli fatti di titanato di bario, titanato di piombo o zirconato di piombo, che producono tensioni inferiori rispetto al sale di Rochelle, che era il cristallo standard nelle prime forme di queste tecnologie.
Una delle forme di tecnologia più avanzate per sfruttare l’effetto piezoelettrico a partire dal 2011 è quella del microscopio a effetto tunnel (STM) che viene utilizzato per esaminare visivamente la struttura di atomi e piccole molecole. L’STM è uno strumento fondamentale nel campo delle nanotecnologie. I cristalli piezoelettrici utilizzati negli STM sono in grado di generare un movimento misurabile sulla scala di pochi nanometri o miliardesimi di metro.