Del carbono al grafeno: radiación y cavitación en la acústica

Del carbono al grafeno: radiación y cavitación en la acústica

La acústica, definida como el estudio de las oscilaciones de compresión en medios continuos, se organiza en tres franjas: subsónica (<20 cps), sónica (20–20,000 cps) y ultrasónica (>20,000 cps). Sus parámetros —desplazamiento, velocidad y aceleración de partícula, presión excesiva, impedancia acústica e intensidad— permiten describir cómo la energía sonora se propaga, se refleja y se refracta en distintos medios. En ondas planas, presión y desplazamientos comparten fase; al cruzar interfaces, obedecen las leyes de reflexión y refracción, y grandes diferencias de impedancia generan ondas estacionarias.

Las mediciones acústicas requieren escala logarítmica en decibelios. En aire se referencia a 0.0002 dyne/cm², equivalente al umbral auditivo humano a 1,000 cps; en líquidos se usa el microbar. La sonoridad se mide en fones, según las curvas de Fletcher-Munson, que relacionan percepción y presión real. Los medidores de nivel sonoro combinan micrófono calibrado, redes de ponderación A/B/C y lectura directa en dB, y el control del ruido se ha convertido en un campo propio, con límites de exposición que advierten sobre el daño auditivo por encima de 100 dB.

En los receptores, el micrófono de carbono fue pionero: gránulos cuya resistencia variaba con la presión sonora producían un voltaje proporcional. Era rudimentario, limitado en sensibilidad y fidelidad, pero inauguró la transducción acústica. El grafeno, como forma avanzada del carbono, amplía los límites: su baja masa y alta conductividad elevan la sensibilidad y reducen el ruido; sus diafragmas ultrafinos perfeccionan la directividad; su resistencia mecánica y térmica extiende la respuesta hacia el ultrasonido y soporta cavitación intensa. Allí donde el carbono solo funcionaba como receptor básico, el grafeno se convierte en material clave para receptores de alta fidelidad, transmisores más eficientes, sensores industriales precisos y generadores ultrasónicos duraderos.

La radiación acústica es el flujo de energía sonora por unidad de área. En ultrasonido, esta radiación puede ser muy intensa y provocar fenómenos como la cavitación: formación y colapso de burbujas de vapor cuando la presión local cae por debajo de la presión de vapor del líquido. En sangre, el ultrasonido puede inducir cavitación:

• En forma estable, las burbujas oscilan sin colapsar violentamente, generando microflujos útiles para diagnóstico.
• En forma inercial, las burbujas implosionan, liberando ondas de choque locales que pueden dañar células, provocar hemólisis o afectar tejidos.

Por eso, en medicina se regula cuidadosamente la intensidad, la frecuencia y el tiempo de exposición. En diagnóstico (ecografía), las intensidades son bajas y seguras; en terapias como la sonotrombólisis, se aprovecha la cavitación controlada para disolver coágulos. El grafeno, aplicado a transductores biomédicos, puede mejorar la sensibilidad y la estabilidad térmica, permitiendo dispositivos más precisos y seguros para monitoreo y tratamiento.

En la industria, el ultrasonido se divide en aplicaciones de baja y alta potencia. En baja potencia, el ensayo no destructivo detecta grietas y mide espesores; los medidores de flujo calculan velocidades a partir de diferencias de fase; la atenuación acústica revela consistencia en alimentos y suspensiones. En alta potencia, la cavitación violenta genera ondas de choque locales útiles para limpieza, mezcla, soldadura y reacciones químicas. Explosiones químicas y descargas por chispa se han usado para producir ruido de banda ancha, afinado con cavidades resonantes, a bajo costo.

Síntesis

La historia de la acústica puede narrarse como la transformación del mismo elemento: del carbono granular al grafeno estructurado. El carbono inauguró la transducción; el grafeno la perfecciona, extendiendo la sensibilidad, la respuesta en frecuencia y la resistencia frente a cavitación. En sangre, la radiación ultrasónica puede provocar cavitación con efectos útiles o riesgosos, y el grafeno ofrece la posibilidad de diseñar transductores biomédicos más seguros y eficaces. En la industria, el grafeno soporta cavitación intensa y mejora la eficiencia de procesos de alta potencia. Así, el mismo elemento que dio origen a la acústica práctica se convierte hoy en el material que redefine sus límites.