Polimeri piezoelettrici: sfruttare le vibrazioni e gli stress strutturali per ottenere energia libera

Un team di ricercatori ha creato una pellicola polimerica riempita con un composto di perovskite calcogenuro che genera elettricità quando viene sollecitato. Questo fenomeno è noto come effetto piezoelettrico, che è semplicemente la capacità di alcuni materiali di generare una carica elettrica quando viene applicato uno stress meccanico.

L'effetto piezoelettrico si verifica in materiali privi di simmetria strutturale cristallina. Cristalli, ceramiche, polimeri e materia biologica come ossa, DNA e varie proteine ​​sono diversi tipi di materiali piezoelettrici.

Tali materiali hanno il potenziale per raccogliere l'energia correlata alle vibrazioni meccaniche. La cosa migliore di questa forma di energia è che è presente ovunque intorno a noi in abbondanza ed è rinnovabile in natura.

Tuttavia, come l'ultimo note di ricerca, materiali piezoelettrici quelli più performanti tendono a contenere l'elemento chimico piombo (Pb), che può causare il cancro, aumentare il rischio di tumori al cervello e ostacolare la riparazione del DNA.

I materiali che contengono piombo sono pericolosi e le autorità di regolamentazione ne hanno limitato l'uso per proteggere l'ambiente.

Data la tossicità del piombo, un metallo pesante, malleabile e naturale con un punto di fusione relativamente basso, il suo utilizzo viene sempre più eliminato dai materiali e dai dispositivi.

L'obiettivo del team era quindi quello di creare un materiale privo di piombo e realizzabile a basso costo utilizzando elementi comunemente presenti in natura.

Quindi, il team del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ha utilizzato un materiale che non solo non contiene piombo, ma è anche uno dei pochi ad alte prestazioni. Quindi, è un ottimo candidato per l'uso in applicazioni biomediche, macchine e infrastrutture.

Il materiale senza piombo utilizzato dal team appartiene alla famiglia dei perovskiti calcogenuri che presentano piezoelettricità. BaZrS3 è stata la composizione utilizzata nello studio, che si dice abbia una risposta piezoelettrica pronunciata.

Le perovskiti calcogenuri hanno ricevuto molta attenzione e progressi ultimamente. Questa famiglia di composti è correlata alle strutture perovskiti, che hanno molte proprietà favorevoli come bassa tossicità, elevata stabilità, gap di banda diretti, buone capacità di trasporto dei portatori e forte assorbimento della luce.

Grazie a queste proprietà, le perovskiti si distinguono davvero in applicazioni quali il fotovoltaico, i fotodetector, i dispositivi a emissione luminosa e i fotocatalizzatori.

È interessante notare che la maggior parte dei materiali piezoelettrici ad alte prestazioni sono non centrosimmetrici e quindi mostrano intrinsecamente un'elevata polarizzabilità. Tuttavia, molti perovskiti di ossido, incluso quello utilizzato nello studio, presentano una struttura cristallina centrosimmetrica, che è debolmente piezoelettrica nella sua forma incontaminata. Questi composti sono in realtà non polari perché intrinsecamente privi di un momento di dipolo netto.

Il momento di dipolo è il nome scientifico del modo in cui i materiali piezoelettrici si comportano quando sono sotto stress, ovvero una deformazione che causa la separazione degli ioni positivi e negativi nel materiale. Questo momento di dipolo può essere sfruttato e trasformato in corrente elettrica.

Ma senza un momento di dipolo netto, come ha fatto il team a ottenere la piezoelettricità? Beh, sfruttano l'impacchettamento lasco all'interno della struttura calcogenuri-perovskite per superare il problema.

Scalabilità della tecnologia per applicazioni di energia verde

L'ultimo studio spiega che, nonostante siano centrosimmetrici, i materiali calcogenuri perovskiti senza piombo diventano polarizzabili molto rapidamente quando vengono deformati. Ciò è dovuto a una cella unitaria poco compattata, che ha molto spazio vuoto.

Questo volume significativo di spazio vuoto consente uno spostamento esteso degli ioni, che, a sua volta, consente la riduzione della simmetria e determina un momento di dipolo mediato dallo spostamento amplificato.

Il team ha eseguito una microscopia a forza piezoelettrica (PFM) su BaZrS3 per confermare la piezoelettricità del materiale.

PFM è un modello di microscopia funzionale a forza atomica (AFM) che è stato riconosciuto per le informazioni uniche che offre sulle proprietà elettromeccaniche di vari materiali su scala nanometrica.

La simmetria strutturale nel materiale calcogenuro perovskite, secondo il team, può essere facilmente rotta sotto stress, il che porta a una risposta piezoelettrica migliorata. Quindi, una volta confermata, il team ha sviluppato compositi di particelle BaZrS3 disperse in policaprolattone.

Il nuovo materiale sintetizzato contiene bario, zirconio e zolfo, che sono stati poi utilizzati per estrarre energia dal movimento del corpo umano e alimentare dispositivi elettrochimici ed elettronici.

Il team ha testato la capacità del materiale di generare elettricità sottoponendolo a movimenti corporei come correre, camminare, battere le dita e battere le mani. L'elettricità prodotta durante l'esperimento si è rivelata sufficiente ad alimentare banchi di LED, il che spiega RPI.

"Siamo entusiasti e incoraggiati dalle nostre scoperte e dal loro potenziale nel supportare la transizione verso l'energia verde".

– Nikhil Koratkar, coautore dello studio

Il materiale, secondo lui, converte l'energia meccanica in energia elettrica. Secondo Koratkar:

“Quanto maggiore è il carico di pressione applicato e maggiore è la superficie su cui viene applicata la pressione, tanto maggiore sarà l’effetto.”

La pellicola di raccolta di energia creata dal team è spessa appena 0.3 millimetri e può essere integrata in vari macchinari, dispositivi e strutture, come edifici e autostrade, per produrre elettricità quando vibrano o vengono attraversati da veicoli.

I test condotti dal team dimostrano inoltre che la tecnologia può rivelarsi utile in molteplici modi, ad esempio in un dispositivo indossato da ciclisti o corridori che illumina i caschi o li mostra per renderli più visibili.

Detto questo, al momento è solo una prova di concetto. Il team spera di "vedere alla fine questo tipo di materiale implementato su larga scala, dove può davvero fare la differenza nella produzione di energia", ha detto Koratkar.

Ora, nei prossimi passaggi, i ricercatori esamineranno l'intera famiglia di composti calcogenuri perovskiti per trovare un materiale che mostri un effetto piezoelettrico più potente. Per questo, il team si avvarrà dell'intelligenza artificiale (AI) e dell'apprendimento automatico (ML).

"La produzione di energia sostenibile è fondamentale per il nostro futuro", ha affermato Shekhar Garde, Ph.D., preside della facoltà di ingegneria del RPI, applaudendo gli sforzi del team del RPI nella scoperta dei materiali che, a suo dire, "possono contribuire ad affrontare un problema globale".

L'impatto trasformativo della piezoelettricità

La piezoelettricità fu identificata per la prima volta da Jacques e Pierre Curie nel 1880 e oggi il fenomeno è ampiamente utilizzato in applicazioni del mondo reale. La loro capacità di convertire direttamente energia elettrica e meccanica li rende molto interessanti per applicazioni come i dispositivi di energy harvesting.

Uno degli esempi più comuni di piezoelettricità sono gli accendini elettrici. Quando si preme un pulsante, la leva della molla colpisce i cristalli piezoelettrici e questa sollecitazione meccanica crea una corrente elettrica, che poi viaggia come una fiamma per accendere il gas. Si possono trovare esempi di piezoelettricità ovunque nella vita quotidiana.

Come abbiamo spiegato in dettaglio nel nostro articolo precedente, la piezoelettricità è diventata in realtà un principio fondamentale utilizzato nella tecnologia moderna, dai telefoni cellulari e dispositivi indossabili, ai sistemi di smorzamento e soluzioni per la pulizia, fino all'industria aerospaziale, ai sonar, agli strumenti diagnostici sanitari e agli attuatori.

Dato il suo vasto utilizzo, nel loro campo si sono verificati diversi progressi. Tutto è iniziato con lo sviluppo della popolare ceramica piezoelettrica PZT (titanato di zirconio di piombo) circa mezzo secolo fa e poi del fluoruro di polivinilidene (PVDF) nel 1964.

Da allora, i ricercatori hanno lavorato allo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie per migliorare l'efficienza e la versatilità dei dispositivi piezoelettrici. Un obiettivo importante è stato quello di creare alternative ecocompatibili alle ceramiche a base di piombo come il PZT a causa delle crescenti preoccupazioni sulla tossicità del piombo, come abbiamo visto nello studio sopra menzionato.

A questo scopo, i ricercatori hanno studiato materiali come il titanato di bario (BaTiO₃) e il niobato di sodio e potassio (KNN), che offrono proprietà piezoelettriche senza l'impatto ambientale dannoso del piombo.

Inoltre, i progressi nei materiali piezoelettrici a base di polimeri, come il PVDF e i suoi copolimeri, hanno consentito la loro integrazione in tessuti intelligenti, sensori e impianti medici.

In realtà, i polimeri piezoelettrici sono stati ampiamente studiati per la raccolta di energia grazie alla loro flessibilità e adattabilità intrinseche, che li rendono adatti ad applicazioni in cui il dispositivo deve subire molta flessione per essere integrato in dispositivi indossabili.

L'elettronica indossabile rappresenta l'innovazione dell'elettronica rigida tradizionale, offrendo soluzioni rivoluzionarie in sanità, energia, neuroscienze, metaverso e sostenibilità. L'uso della piezoelettricità in questi dispositivi consente alle aziende di ridurre la necessità di ricariche frequenti e batterie, offrendo agli utenti la comodità di un dispositivo portatile insieme a una maggiore sicurezza.

I recenti sviluppi nel campo della nanotecnologia hanno inoltre consentito la creazione di materiali piezoelettrici nanostrutturati, che offrono prestazioni migliorate con dimensioni ridotte.

Ad esempio, i punti quantici, i nanofili e il grafene sono oggetto di studio per il loro potenziale di migliorare significativamente la sensibilità e l'efficienza dei sistemi piezoelettrici, il che li rende davvero utili in applicazioni quali l'elettronica flessibile e le tecnologie di imaging di nuova generazione.

Tutte queste innovazioni nei materiali piezoelettrici hanno aperto nuove possibilità in vari settori e, con il proseguire di questi progressi, il mercato globale dei materiali piezoelettrici è destinato a registrare una crescita significativa.

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Una crescita massiccia in vista

Per quanto riguarda il mercato globale dei materiali piezoelettrici, si prevede che passerà da 1.52 miliardi di dollari nel 2024 a 2.19 miliardi di dollari entro il 2032.

Mentre le operazioni limitate di settori cruciali per l'uso finale come l'elettronica e l'automotive hanno avuto un impatto critico sulla domanda di materiali piezoelettrici, il COVID-19 ha visto un picco nella domanda di apparecchiature come ossimetri, pirometri, termometri elettronici e ventilatori automatici, che utilizzano materiali piezoelettrici per convertire una forma di energia in un'altra. Ciò ha quindi avuto un impatto sulla domanda di questi materiali durante la crisi, ha osservato il rapporto sul mercato dei materiali piezoelettrici.

A livello regionale, si prevede che il mercato statunitense, in particolare, crescerà in modo significativo, raggiungendo un valore stimato di 248.48 miliardi di dollari nei prossimi otto anni, guidato dalla crescente produzione di elettronica, IT e settori delle telecomunicazioni. Anche l'ampio programma di esplorazione spaziale del paese contribuirà a questa crescita.

Nel frattempo, la dimensione del mercato dell'Asia Pacifica ammonta a 0.99 miliardi di $, con una quota di mercato del 68.28% nel 2023. Questa dominanza è dovuta all'emergere dell'Asia Pacifica come hub manifatturiero per l'elettronica e i beni di consumo, con Cina, Giappone, Taiwan, India e Corea del Sud che si concentrano sull'espansione delle loro capacità produttive.

Sebbene il mercato dei materiali piezoelettrici in America Latina sia ancora agli inizi, si è osservata una domanda crescente in Medio Oriente e in Africa, dovuta all'espansione del settore sanitario ed elettronico nella regione.

In termini di applicazione, il mercato dei materiali piezoelettrici è segmentato in sensori, risonatori, generatori e trasformatori, attuatori, trasduttori, SONAR, dispositivi acustici, motori e altri.

Tra queste, si prevede che la divisione sensori crescerà a un CAGR sostanziale grazie all'applicazione della tecnologia in molteplici settori, tra cui l'elettronica di consumo, le linee di produzione e i veicoli automatici.

Nel frattempo, si prevede che gli attuatori, che convertono i segnali elettrici inviati dal sistema in energia meccanica per il controllo al fine di eseguire un'azione specifica, rappresenteranno la quota di mercato maggiore dei materiali piezoelettrici, trainati dalla loro applicazione nei bracci robotici, nel controllo di precisione degli utensili di lavorazione industriale e nei sistemi di frenata e accelerazione dei veicoli.

Beni di consumo come microonde, TV, lavatrici e giocattoli telecomandati, che utilizzano materiali piezoelettrici per controllare e far funzionare questi prodotti, dovrebbero mantenere la loro leadership nel mercato globale. Segue l'industria automobilistica, che dovrebbe crescere a un CAGR stabile.

Aziende che utilizzano tecnologie piezoelettriche

Ora, per quanto riguarda le aziende che stanno facendo progressi in questo campo, abbiamo USound, i cui altoparlanti MEMS sfruttano l'effetto piezoelettrico, e Noliac, che sviluppa attuatori piezoelettrici, generatori e trasformatori.

Kinetic Ceramics è un'altra azienda specializzata in attuatori piezoelettrici, valvole piezoelettriche, pompe allo stato solido, lavorazioni meccaniche di precisione, sistemi intelligenti e sistemi di controllo del movimento.

Tecnologie piezoelettriche di Amphenol Corporation (APH -2.07%) è specializzata anche in materiali ceramici piezoelettrici e trasduttori ultrasonici. I suoi prodotti includono anche dispositivi, assemblaggi e sistemi utilizzati nei settori aerospaziale, difesa, automotive, trasporti e ingegneria civile.

Società CTS (CTS -1.91%) produce prodotti piezoelettrici nei settori med-tech, aerospaziale e industriale. Le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di 1.43 miliardi di $ sono attualmente scambiate a 47.21 $, in aumento del 7.93% da inizio anno (YTD). Ha un EPS (TTM) di 1.77 e un P/E (TTM) di 26.66, mentre paga un rendimento da dividendi dello 0.34%.

Tecnologie L3Harris (LHX + 1.25%)

Questa azienda fornisce soluzioni tecnologiche end-to-end che collegano i domini dell'aria, dello spazio, della terra, del mare e del cyber. Progetta inoltre forme di ceramica piezoelettrica per varie applicazioni nei campi del sonar e dell'acustica militare, dell'imaging medico, della terapia del cancro e dell'energy harvesting. L3Harris vanta oltre 70 anni di esperienza nella scienza dei materiali nella formulazione di ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni, tra cui materiali PZT, PT e PMN per clienti sia militari che commerciali.

Le formulazioni di polvere di ceramica piezoelettrica dell'azienda sono uniformi, ad alte prestazioni, a grana fine e ad alta densità, il che le rende adatte a un'ampia gamma di utilizzi, tra cui trasduttori e materiali altamente personalizzati che supportano il trattamento del cancro, la somministrazione di farmaci, l'imaging e la cura delle ferite. La ceramica piezoelettrica di L3Harris raccoglie energia dalla pressione o dalle vibrazioni che altrimenti andrebbero sprecate, contribuendo così a ridurre la dipendenza dalle batterie fornendo energia alle reti di sensori wireless.

Al momento in cui scrivo, le azioni LHX sono state scambiate a $ 248.15, in aumento del 17.82% quest'anno finora, il che porta la sua capitalizzazione di mercato a $ 47 miliardi. Con ciò, l'EPS (TTM) della società è 6.25 e un P/E (TTM) di 39.72, mentre paga un rendimento da dividendi dell'1.87%. Mentre L3Harris Technologies pubblicherà i suoi risultati finanziari del terzo trimestre 3 nei prossimi giorni, per il secondo trimestre 2024, la società segnalati un fatturato di 4.5 miliardi di dollari, con un incremento del 13%, mentre il margine operativo è stato del 9%.

"Abbiamo registrato un altro trimestre di solidi risultati finanziari con margini migliorati, a dimostrazione del nostro impegno verso l'eccellenza operativa e di un'attenzione costante all'esecuzione che offre valore ai nostri clienti e azionisti".

– Amministratore delegato Christopher E. Kubasik

Conclusione

Dai lampioni alimentati dal traffico ai pavimenti in grado di alimentare l'illuminazione degli edifici, fino agli pneumatici che caricano un veicolo, i materiali piezoelettrici hanno il potenziale per rivoluzionare il settore dell'energia pulita. Tuttavia, anche questi materiali non sono privi di sfide, da qui lo sviluppo di materiali piezoelettrici senza piombo.

Questi nuovi materiali, come le perovskiti calcogenuri, segnano un significativo progresso nelle tecnologie di raccolta di energia sostenibile. Con la loro bassa tossicità, elevata stabilità e risposta piezoelettrica migliorata sotto stress, possono aiutare a realizzare veramente il potenziale dei materiali piezoelettrici e rivoluzionare la generazione di energia. E mentre i ricercatori continuano a esplorare questi nuovi materiali utilizzando l'intelligenza artificiale, questo campo può aprire la strada a innovazioni nei dispositivi biomedici, nelle infrastrutture e nella tecnologia indossabile in modo sostenibile.

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