Materiali piezoelettrici: la fonte di energia sconosciuta più comune

Con nuove applicazioni pratiche sviluppate ogni giorno, l'industria piezoelettrica sta migliorando previsto raggiungere circa 41 miliardi di dollari nei prossimi tre anni, con un tasso di crescita annuo composto di quasi il 6%. Questo boom consentirà l’ulteriore sviluppo e implementazione di polimeri piezoelettrici amorfi e filmici ad alta tecnologia nel mondo moderno.

Cosa sono i materiali piezoelettrici?

I materiali piezoelettrici ci consentono di sfruttare l’energia cinetica, trasformando la forza in una carica elettrica. Definita per la prima volta dai fratelli Curie nel 1880, la piezoelettricità è diventata un principio fondamentale sfruttato nella tecnologia moderna.

La piezoelettricità si riferisce alla capacità di una sostanza di produrre una carica elettrica quando viene applicato uno stress meccanico. Questa carica elettrica è prodotta dall'asimmetria forzata. Nei materiali piezoelettrici, le cariche positive e negative sono separate l'una dall'altra, pur rimanendo allineate secondo uno schema simmetrico. Quando alla sostanza viene applicata una sollecitazione meccanica, questa simmetria viene persa, determinando la produzione di una carica elettrica.

Fase beta del PVDF.

Un'altra proprietà unica dei materiali è la natura casuale e la presenza di domini di Weiss (orientati magneticamente senza influenza magnetica esterna).

Successivamente si scoprì che questi stessi materiali mostravano una proprietà direttamente inversa all'effetto elettrico. Si è scoperto che se una carica elettrica fosse applicata al materiale, si verificherebbe una deformazione meccanica ripetibile all'interno del materiale. Questa scoperta ha dato grande utilità a tali materiali, poiché ne ha sostanzialmente raddoppiato i potenziali casi d’uso.

Produttori e Innovatori

Prima di immergerci negli esempi di casi d'uso reali, di seguito sono riportati tre aziende leader che sfruttano i materiali piezoelettrici in una varietà di prodotti integrati nell'elettronica moderna.

In particolare, gli analisti di Barron's attualmente elencano ciascuno dei seguenti titoli come "over" o "buy".

Stoneridge (SRI)

Quotata al NYSE, Stoneridge (SRI) ha visto le sue azioni aumentare di valore nell'ultimo anno di oltre il 30% al momento della stesura di questo articolo. Mentre le entrate di Stoneridge hanno subito un duro colpo durante il culmine del COVID, il 2021 ha visto un rimbalzo di quasi il 20% a 770 milioni di dollari

Stoneridge impiega oltre 5,000 persone e opera nello Stato del Michigan.

Elettronica di metodo (MEI)

Quotata al NYSE, Methode Electronics Inc. ha visto le sue azioni aumentare di valore nell'ultimo anno di quasi il 15% al ​​momento della stesura di questo articolo. Negli ultimi 4 anni, Methode Electronics è riuscita a continuare a far crescere i propri ricavi tra il 2.36% e il 10.13% ogni anno. Per il 2022, le entrate hanno superato 1.16 miliardi di dollari.

Methode Electronics impiega oltre 7,000 persone e opera nello Stato dell'Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Quotata al Nasdaq, Kimball Electronics Inc. ha visto le sue azioni aumentare di valore nell'ultimo anno di oltre il 32% al momento della stesura di questo articolo. Laddove le società sopra elencate hanno faticato nel periodo 2019-2020, Kimball Electronics è riuscita a vantare ricavi in ​​costante aumento. Per un totale di 1.35 miliardi di dollari per il 2022, ciò segna un aumento del 4.47% rispetto al 2021.

Kimball Electronics impiega oltre 7,000 persone e opera nello Stato dell'Indiana.

Avanzamenti moderni

Tradizionalmente, per dimostrare l'effetto venivano utilizzate sostanze piezoelettriche presenti in natura. Più comunemente, il materiale scelto era il quarzo. Quando furono raggiunti i limiti delle sostanze presenti in natura, la ceramica artificiale divenne la scelta popolare. Progettato nel 1952, e ancora oggi uno dei ceramici piezoelettrici più popolari è PZT (titanato di zirconato di piombo). Tuttavia, a causa degli inconvenienti quali deformazione limitata, fragilità e elevata densità di massa, il PZT non è l'ideale per ogni applicazione.

Nel 1964 fu sviluppato il PVDF (polivinilidene fluoruro). Il PVDF ha una struttura semicristallina e crea cariche molte volte maggiori del quarzo. Sebbene questo polimero artificiale risolvesse molti degli inconvenienti del PZT, ne presentava diversi: guasti piezoelettrici ad alte temperature e degrado. Con i recenti progressi tecnologici e le crescenti richieste, PZT e PVDF potrebbero aver raggiunto i loro limiti.

All'inizio degli anni 2000 istituti come GAIKER-IK4 iniziarono a sviluppare i cosiddetti polimeri piezoelettrici amorfi. Utilizzando una struttura amorfa, la sostanza può sopportare temperature molto più elevate. Poiché gli effetti piezoelettrici non dipendono dalla struttura cristallina che si rompe a temperature più elevate, le strutture amorfe creano un polimero molto più robusto.

Questi polimeri amorfi vengono sviluppato perché offrono livelli più elevati di deformazione, notevole riduzione di peso e maggiore robustezza. In questo modo, il campo di applicazione dei materiali consente ora l'incorporazione di dispositivi aerospaziali ed elettronici. Con i nuovi polimeri e film piezoelettrici amorfi in fase di sviluppo, si verificheranno guasti durante l'uso a temperature di circa 150°C e superiori. La degradazione della sostanza avverrà a circa 400°C. Sebbene ciò possa limitarne l’uso in condizioni estreme, la stragrande maggioranza delle applicazioni rientra in un intervallo appropriato.

Come molte nuove sostanze, questi polimeri vengono sviluppati utilizzando PVDF e PVT come fondamentali. Tentare di mantenere gli attributi positivi di ciascun materiale eliminando il maggior numero possibile di svantaggi. Sebbene tali prodotti siano polimeri più recenti, sono modellati sugli attuali modelli funzionanti.

Utilizzando una struttura amorfa, è necessario eseguire test approfonditi sulle temperature ottimali di transizione vetrosa. Questo valore è direttamente collegato alla forza delle proprietà piezoelettriche che il materiale possiederà. La struttura amorfa dimostra e si basa su un ordine a corto raggio per produrre invece un effetto piezoelettrico, di ordine a lungo raggio come visto nelle strutture cristalline. Oltre a ciò, molti scelgono di incorporare le poliimmidi nella struttura dei materiali a causa delle loro proprietà meccaniche, dielettriche e termiche, con le poliimmidi che garantiscono la polarizzazione delle molecole indipendentemente dal loro posizionamento.

Casi d'uso

Le applicazioni passate e attuali dei materiali piezoelettrici includono molti oggetti poco appariscenti come accendini, orologi al quarzo e persino sistemi di gestione del motore. L’uso più comune attualmente sarebbe nei sensori e negli attuatori. Sebbene per questi casi d’uso siano stati applicati materiali piezoelettrici idonei, le applicazioni future richiedono un materiale più versatile. Per fortuna, lo sviluppo di polimeri piezoelettrici è proprio questo: versatile. Con i costanti progressi nella nostra comprensione della scienza dei materiali e della loro capacità di mostrare effetti inversi diretti, il numero di applicazioni in cui possono essere utilizzati continua ad aumentare. Alcune interessanti applicazioni presenti e potenziali future includono:

Elettronica mobile e indossabile

Parla di telefoni cellulari alimentati e dispositivi indossabili. Utilizzando la pressione creata all'interno del microfono a causa delle onde sonore, si spera che un giorno i polimeri piezoelettrici possano creare abbastanza energia necessaria per utilizzare il telefono. Sebbene sia improbabile che questo concetto elimini del tutto la necessità di una batteria in tempi brevi, crea la possibilità di estendere la durata della batteria nei dispositivi intelligenti indossabili a basso consumo.

Va notato che i materiali piezoelettrici sono utilizzati nei microfoni ormai da quasi 100 anni. Tuttavia, l'obiettivo finale non è quello di caricare un dispositivo, ma queste applicazioni consentono la conversione delle onde sonore in elettricità allo scopo di registrarle e riprodurle in modo economicamente vantaggioso.

Sistemi di smorzamento

Un'altra applicazione è l'uso di materiali piezoelettrici nei sistemi di smorzamento. Aziende come TESTA hanno incorporato questa idea nelle sue racchette da tennis e nei suoi sci, nel tentativo di assorbire/smorzare le vibrazioni. Quando si verifica un impatto sulla racchetta o sullo sci, l'effetto reciproco viene sfruttato inviando il segnale elettrico creato ad un materiale inverso che fornisce una forza opposta. Ciò si traduce in un efficace sistema di smorzamento.

Questo stesso concetto viene applicato alla riduzione del rumore e delle vibrazioni nelle automobili, nelle case e negli ambienti di lavoro pericolosi. Un esempio di tale ambiente sarebbero le mining farm Bitcoin. Non solo le vibrazioni sono dannose per le apparecchiature elettroniche nel lungo periodo, ma ci sono stati vari casi nelle comunità circostanti in cui queste operazioni hanno luogo lamentando sul rumore e sulle vibrazioni risultanti dall'uso di dispositivi ASIC. In molti scenari simili, gli attuatori piezoelettrici vengono utilizzati come soluzione per smorzare ciascuno di questi effetti. Poiché le onde sonore vengono create in automobili, case e macchinari dal riverbero dei materiali, questo rumore può anche essere eliminato, o almeno ridotto, con metodi tradizionali come un materiale smorzante adesivo. Questi materiali però funzionano passivamente e sono molto pesanti e costosi. Solitamente funzionano abbassando la frequenza di risonanza del materiale.  sfruttando le proprietà dei polimeri piezoelettrici risolvono questo problema adottando l'approccio più attivo e dinamico sopra descritto.

Soluzioni detergenti

Per dimostrare quanto siano versatili i casi d'uso dei materiali piezoelettrici, si consideri il lavoro svolto da aziende come PiezoClean solare. In questo caso, l’azienda sta rivestendo i pannelli solari con una pellicola piezoelettrica. Lo scopo è quello di offrire un mezzo a bassa manutenzione per mantenere puliti i pannelli solari, una chiave per garantire un’efficienza ottimale.

Questo processo prevede l'applicazione di una carica elettrica alla pellicola, che poi vibra a una frequenza e un tono specifici che consentono alla polvere e allo sporco di cadere semplicemente con l'aiuto della gravità. Tutto ciò significa un risparmio di acqua e manodopera, aumentando al tempo stesso la longevità e l’efficienza dei pannelli rivestiti. Una soluzione semplice ma ingegnosa a un problema che sta crescendo man mano che le installazioni solari diventano più comuni.

Le implementazioni più comuni di materiali piezoelettrici in questo modo includono dispositivi di pulizia ad ultrasuoni come i detergenti per gioielli.

Aeronautico

In precedenza abbiamo menzionato l’uso di materiali piezoelettrici nel settore aerospaziale. Qui, gli aerei possono utilizzare tali materiali per monitorare l’integrità strutturale e i fattori di stress attraverso la misurazione delle cariche elettriche prodotte – un caso d’uso che può consentire non solo una maggiore sicurezza, ma anche una maggiore efficienza consentendo agli ingegneri di ridurre contemporaneamente il peso e rafforzare le strutture dove necessario.

Andiamo oltre la nostra atmosfera e in molti satelliti vengono utilizzati attuatori piezoelettrici. La capacità di operare con estrema precisione consente a tali attuatori di realizzare micro-propulsori capaci di un corretto posizionamento satellitare.

Strumenti diagnostici sanitari

Con il miglioramento della nostra capacità di creare dispositivi sempre più piccoli, ora utilizziamo materiali piezoelettrici in vari strumenti diagnostici nel settore sanitario. Un esempio di questo è l’ecografia intravascolare (IVUS). L'IVUS è un processo che consente a minuscole sonde di generare immagini dall'interno dei vasi sanguigni. Ciò avviene attraverso l'utilizzo di trasduttori ad ultrasuoni costruiti con monocristalli piezoelettrici.

I materiali piezoelettrici vengono utilizzati anche in alcune apparecchiature odontoiatriche. Similmente alla soluzione detergente utilizzata da SolarClean descritta sopra, questa apparecchiatura si basa sulle onde ultrasoniche, prodotte applicando una corrente elettrica ai materiali piezoelettrici, per pulire/rimuovere la placca dai denti.

Sonar

I sistemi sonar (Sound Navigation and Ranging) possono essere utilizzati per fornire immagini o per la comunicazione. Esempi di imaging includono la mappatura topografica dei fondali oceanici o gli ecoscandagli di tutti i giorni. Nel frattempo la comunicazione può essere ottenuta attraverso la creazione di onde sonore. Ciascuno di questi processi è reso possibile attraverso l'uso di trasduttori piezoelettrici.

Nonostante sia stato sviluppato più di 100 anni fa, il Sonar continua a svolgere un ruolo importante anche oggi. L’esempio più recente e diffuso di ciò sarebbe la sua implementazione nelle auto a guida autonoma, che in genere utilizzano una combinazione di sonar, LIDAR e radar per tracciare e interpretare l’ambiente circostante.

Raccolta di energia

Infine, un’applicazione molto interessante potrebbe essere la produzione di energia su larga scala. I polimeri piezoelettrici sono in fase di sviluppo per essere collocati in aree ad alto traffico, tra cui varie fabbriche, campi sportivi, stazioni ferroviarie e altro ancora in tutto il mondo. Un 1 cm³ pezzo di quarzo è in grado di produrre fino a 4,500 V di elettricità quando vengono applicate 175 libbre di forza. Ad ogni passo che si mette a terra in tali stazioni che creano questa elettricità, c’è il potenziale per sfruttarne enormi quantità man mano che viene creata quotidianamente, aumentando notevolmente l’efficienza e i costi dell’elettricità per l’edificio.

Al di là del traffico pedonale, molti hanno immaginato un futuro in cui le strade saranno ricoperte da tali materiali, creando elettricità per alimentare i lampioni e i segnali stradali mentre le auto esercitano la forza fisica su di essi.

Se combinate, le tecnologie future come la ricarica wireless per auto saranno sviluppate da Elettreonee superfici motorizzate di aziende come Pavegen, si spera che un giorno consentirà di ridurre le dimensioni delle batterie nei veicoli e di creare un modo molto più efficiente e pulito per mantenere carichi i veicoli elettrici.

Una Parola Finale

Nel complesso, il potenziale dei materiali piezoelettrici sta appena cominciando a realizzarsi. Gli effetti fotovoltaici che rendono possibile l'energia solare furono scoperti a metà del 1800 e solo ora stanno diventando pratici per un uso diffuso. I materiali piezoelettrici non sono diversi e, man mano che la ricerca e lo sviluppo di questi materiali continuano, l’aumento di efficienza e durata segue l’esempio. I moderni progressi scientifici ci permettono solo ora di realizzare, o almeno comprendere, il pieno potenziale di questa fonte di energia, con i casi d'uso qui elencati (generazione di elettricità, smorzamento del suono, sonar, sensori, attuatori, ecc.) che sono solo un esempio selezionane alcune tra innumerevoli possibilità.