מדעי החומר
פולימרים פיזואלקטריים - ניצול רעידות וגורמי לחץ מבניים לאנרגיה חופשית
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
צוות חוקרים יצר סרט פולימרי מלא בתרכובת כלקוגניד פרובסקיט המייצרת חשמל בעת לחץ. תופעה זו ידועה כאפקט פיזואלקטרי, שהוא פשוט היכולת של חומרים מסוימים ליצור מטען חשמלי בעת הפעלת לחץ מכני.
האפקט הפיאזואלקטרי מתרחש בחומרים חסרי סימטריה מבנית גבישית. גבישים, קרמיקה, פולימרים וחומרים ביולוגיים כמו עצם, DNA וחלבונים שונים הם סוגים שונים של חומרים פיזואלקטריים.
לחומרים כאלה יש פוטנציאל לאסוף את האנרגיה הקשורה לרעידות מכניות. הדבר הטוב ביותר בצורת אנרגיה זו הוא שהיא קיימת מסביבנו בהיצע רב ומתחדשת בטבע.
עם זאת, כמו האחרון הערות המחקר, חומרים פיזואלקטריים בעלי הביצועים הטובים ביותר נוטים להכיל את היסוד הכימי עופרת (Pb), שעלול לגרום לסרטן, להגביר את הסיכון לגידולי מוח ולעכב תיקון DNA.
חומרים המכילים עופרת הם מסוכנים, והרגולטורים צמצמו את השימוש בהם כדי להגן על הסביבה.
לאור הרעילות של עופרת, שהיא מתכת כבדה, ניתנת לגיבוש, המופיעה באופן טבעי, עם נקודת התכה נמוכה יחסית, היא הולכת ומשתחררת מחומרים והתקנים.
לפיכך, מטרת הצוות הייתה ליצור חומר נטול עופרת ויכול להיעשות בזול באמצעות אלמנטים שנמצאים בדרך כלל בטבע.
אז, הצוות מהמכון הפוליטכני של רנסלר (RPI) השתמש בחומר שלא רק שאינו מכיל עופרת אלא שהוא גם אחד הבודדים בעלי הביצועים הגבוהים. לפיכך, זהו מועמד נהדר לשימוש ביישומים ביו רפואיים, מכונות ותשתיות.
החומר נטול העופרת שהצוות השתמש בו שייך למשפחת הכלקוגנידי פרובסקיט המפגינה פיזואלקטריות. BaZrS3 היה ההרכב שבו נעשה שימוש במחקר, שדווח כי יש לו תגובה פיזואלקטרית בולטת.
Chalcogenide perovskites זוכים לתשומת לב רבה ולהתקדמות לאחרונה. משפחה זו של תרכובות קשורה למבני פרובסקיט, בעלי תכונות חיוביות רבות כגון רעילות נמוכה, יציבות גבוהה, פערי פס ישירים, יכולות הובלה טובות של נושאים וספיגת אור חזקה.
מאפיינים אלה הופכים את הפרובסקיטים לבלוט באמת ביישומים כמו פוטו-וולטאים, גלאי פוטו, התקנים פולטי אור ופוטו-זרזים.
מעניין שרוב החומרים הפיאזואלקטריים בעלי הביצועים הגבוהים אינם צנטרוסימטריים ולכן מציגים קיטוב גבוה באופן מהותי. עם זאת, פרוסקיטים תחמוצת רבים, כולל זה ששימש במחקר, מציגים מבנה גבישי צנטרוסימטרי, שהוא פיזואלקטרי חלש בצורתו הבתולית. תרכובות אלו למעשה אינן קוטביות כי מטבען אין להן מומנט דיפול נטו.
מומנט הדיפול הוא השם המדעי לאופן שבו חומרים פיזואלקטריים מתפקדים כשהם תחת לחץ, שהוא דפורמציה באופן שגורם ליונים חיוביים ויונים שליליים בחומר להיפרד. ניתן לרתום את הרגע הדיפול הזה ולהפוך לזרם חשמלי.
אבל בלי רגע דיפול נטו, איך הצוות השיג פיזואלקטריות? ובכן, הם ממנפים את האריזה הרופפת בתוך מבנה הכלקוגניד פרוסקיט כדי להתגבר על הבעיה.
קנה המידה של הטכנולוגיה ליישומי אנרגיה ירוקה
המחקר האחרון מפרט שלמרות היותם צנטרוסימטריים, חומרי כלקוגניד פרוסקיט נטולי עופרת הופכים לקיטובים מהר מאוד כאשר הם מעוותים. הסיבה לכך היא תא יחידה ארוז בצורה רופפת, שיש בו הרבה מקום פנוי.
נפח משמעותי זה של חלל ריק מאפשר תזוזה ממושכת של יונים, אשר, בתורה, מאפשרת הפחתת הסימטריה וכתוצאה מכך מומנט דיפול מתווך תזוזה מוגבר.
הצוות ביצע מיקרוסקופיה של כוח פיאזו-תגובה (PFM) ב-BaZrS3 כדי לאשר את הפיאזואלקטריות של החומר.
PFM הוא מודל מיקרוסקופ אטומי כוח פונקציונלי (AFM) שזכה להכרה במידע הייחודי שהוא מציע על התכונות האלקטרו-מכאניות של חומרים שונים בקנה מידה ננומטרי.
סימטריה מבנית בחומר הכלקוגניד פרוסקיט, לפי הצוות, יכולה להישבר בקלות תחת לחץ, מה שמוביל לתגובה פיזואלקטרית מוגברת. אז, לאחר אישור, הצוות פיתח חומרים מרוכבים של חלקיקי BaZrS3 מפוזרים בפוליקפרולקטון.
החומר החדש המסונתז מכיל בריום, זירקוניום וגופרית, ששימשו אז לקצירת אנרגיה מתנועת גוף האדם והנעת מכשירים אלקטרוכימיים ואלקטרוניים.
הצוות בדק את יכולתו של החומר לייצר חשמל על ידי הכפפתו לתנועות גוף כמו ריצה, הליכה, הקשה באצבעות ומחיאות כפיים. החשמל שהופק במהלך הניסוי נמצא מספיק כדי להפעיל את הבנקים של LED, תוך ציון RPI.
"אנו נרגשים ומעודדים מהממצאים שלנו ומהפוטנציאל שלהם לתמוך במעבר לאנרגיה ירוקה".
– ניקיל קוראטקר, מחבר המחקר
החומר, לדבריו, הופך אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. לפי קוראטקר:
"ככל שעומס הלחץ המופעל גדול יותר וככל ששטח הפנים עליו מופעל הלחץ גדול יותר, כך ההשפעה גדולה יותר."
סרט קצירת האנרגיה שנוצר על ידי הצוות הוא בעובי של 0.3 מילימטר בלבד וניתן לשלב אותו במכונות, מכשירים ומבנים שונים כמו בניינים וכבישים מהירים כדי לייצר חשמל כשהם רוטטים, או כלי רכב נוסעים מעליהם.
הבדיקות שערך הצוות גם מראות שהטכנולוגיה יכולה להיות שימושית במספר עצום של דרכים, כולל במכשיר שלובשים אופנוענים או רצים שמדליק קסדות או מציג כדי להפוך אותן לנראות יותר.
עם זאת, נכון לעכשיו, זו רק הוכחה לקונספט. הצוות מקווה "בסופו של דבר לראות את סוג החומר הזה מיושם בקנה מידה, שבו הוא באמת יכול לעשות הבדל בהפקת אנרגיה", אמר קוראטקר.
כעת, בשלבים הבאים, החוקרים יבדקו את כל משפחת תרכובות הכלקוגניד פרוסקיט כדי למצוא חומר שמראה אפקט פיזואלקטרי חזק יותר. לשם כך, הצוות יעשה שימוש בבינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML).
"ייצור אנרגיה בר קיימא חיוני לעתיד שלנו", אמר שחר גארד, Ph.D., דיקן בית הספר להנדסה RPI, תוך שהוא מברך על המאמצים של צוות RPI בגילוי חומרים שלדבריו "יכול לעזור לטפל בבעיה גלובלית".
ההשפעה הטרנספורמטיבית של פיאזואלקטריות
פיזואלקטריות זוהתה לראשונה על ידי ז'אק ופייר קירי בשנת 1880, וכיום, התופעה נמצאת בשימוש נרחב ביישומים בעולם האמיתי. היכולת שלהם להמיר ישירות אנרגיה חשמלית ומכאנית הופכת אותם לאטרקטיביים ביותר עבור יישומים כמו מכשירי קצירת אנרגיה.
אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר לפיזואלקטריות היא מציתים חשמליים. כאשר אתה לוחץ על כפתור, ידית הקפיץ פוגעת בגבישים פיזואלקטריים, והלחץ המכני הזה יוצר זרם חשמלי, שנע אז כלהבה כדי להצית את הגז. אתה יכול למצוא דוגמאות של פיאזואלקטריות בכל מקום בחיי היומיום שלך.
כפי שפירטנו במאמר הקודם שלנו, פיאזואלקטריות הפכה למעשה לעיקרון בסיסי בשימוש בטכנולוגיה מודרנית, החל מטלפונים סלולריים ומכשירים לבישים, מערכות שיכוך ופתרונות ניקוי ועד לתעופה וחלל, סונאר, כלי אבחון רפואיים ומפעילים.
לאור השימוש העצום בו, חלו מספר התקדמות בתחומם. הכל התחיל עם הפיתוח של ה-PZT הקרמיקה הפיאזואלקטרית הפופולרית (עופרת זירקונט טיטנאט) לפני כחצי מאה ולאחר מכן פוליווינילידן פלואוריד (PVDF) ב-1964.
מאז, חוקרים עובדים על פיתוח חומרים וטכנולוגיות חדשות לשיפור היעילות והרבגוניות של מכשירים פיזואלקטריים. התמקדות עיקרית אחת הייתה ביצירת חלופות ידידותיות לסביבה לקרמיקה מבוססת עופרת כמו PZT עקב חששות גוברים לגבי רעילות עופרת, כפי שראינו במחקר הנ"ל.
חוקרים בחנו חומרים כמו בריום טיטנאט (BaTiO₃) ואשלגן נתרן ניובאט (KNN), המציעים תכונות פיזואלקטריות ללא ההשפעה הסביבתית המזיקה של עופרת.
בנוסף, התקדמות בחומרים פיזואלקטריים מבוססי פולימרים כמו PVDF והקופולימרים שלו אפשרו את שילובם בטקסטיל חכם, חיישנים ושתלים רפואיים.
פולימרים פיזואלקטריים נחקרו בהרחבה עבור קצירת אנרגיה בשל הגמישות והתאימות המהותית שלהם, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים שבהם המכשיר צריך לעבור כיפוף רב כדי להשתלב במכשירים לבישים.
אלקטרוניקה לבישה מייצגת את החדשנות של האלקטרוניקה הקשיחה המסורתית, המציעה פתרונות מהפכות בתחום הבריאות, האנרגיה, מדעי המוח, metaverse וקיימות. השימוש בפיזואלקטריות במכשירים אלו מאפשר לחברות להפחית את הצורך בטעינה תכופה ובסוללות, ומציע למשתמשים את הנוחות של מכשיר נייד יחד עם בטיחות משופרת.
התפתחויות אחרונות בננו-טכנולוגיה אפשרו גם יצירת חומרים פיזואלקטריים בעלי ננו-מבנה, המציעים ביצועים משופרים בגדלים מופחתים.
לדוגמה, נקודות קוונטיות, ננו-חוטים וגרפן נבדקים על הפוטנציאל שלהם לשפר משמעותית את הרגישות והיעילות של מערכות פיזואלקטריות, מה שהופך אותן למועילות באמת ביישומים כמו אלקטרוניקה גמישה וטכנולוגיות הדמיה מהדור הבא.
כל החידושים הללו בחומרים פיזואלקטריים פתחו אפשרויות חדשות בתעשיות שונות, וככל שההתקדמות הזו נמשכת, השוק העולמי לחומרים פיזואלקטריים אמור לחוות צמיחה משמעותית.
לחץ כאן כדי ללמוד כיצד ממירי כוח פיזואלקטריים עוזרים לכווץ לוחות מעגלים מודפסים.
צמיחה מסיבית לפנינו
בכל הנוגע לשוק החומרים הפיאזואלקטריים העולמי, הוא צפוי לצמוח מ-1.52 מיליארד דולר ב-2024 ל-2.19 מיליארד דולר עד 2032.
בעוד שפעולות מוגבלות של תעשיות קצה חיוניות כמו מגזרי האלקטרוניקה והרכב השפיעו באופן קריטי על הביקוש לחומרים פיזואלקטריים, COVID-19 ראה זינוק בביקוש לציוד כמו אוקסימטרים, פירומטרים, מדי חום אלקטרוניים ומאווררים אוטומטיים, המשתמשים בחומרי פיזו. להמיר צורה אחת של אנרגיה לאחרת. זה השפיע אז על הביקוש לחומרים אלה במהלך המשבר, ציין לדווח בשוק החומרים הפיאזואלקטריים.
אזורית, השוק האמריקני, בפרט, צפוי לצמוח באופן משמעותי, ולהגיע לשווי מוערך של 248.48 מיליארד דולר בשמונה השנים הקרובות, מונע על ידי הייצור הגובר של מגזרי האלקטרוניקה, ה-IT והטלקום. גם תוכנית חקר החלל הנרחבת של המדינה תתרום לצמיחה זו.
בינתיים, גודל השוק באסיה פסיפיק מהווה 0.99 מיליארד דולר, עם נתח שוק של 68.28% בשנת 2023. שליטה זו נובעת מכך שאסיה פסיפיק הופיעה כמרכז ייצור של מוצרי אלקטרוניקה ומוצרי צריכה עם סין, יפן, טייוואן, הודו ודרום. קוריאה מתמקדת בהרחבת יכולות הייצור שלה.
בעוד ששוק החומרים הפיאזואלקטריים באמריקה הלטינית נמצא בחיתוליו, נצפתה ביקוש הולך וגובר במזרח התיכון ובאפריקה עקב התרחבות תעשיית הבריאות והאלקטרוניקה באזור.
מבחינת יישום, שוק החומרים הפיאזואלקטריים מפולח לחיישנים, מהודים, גנרטורים ושנאים, מפעילים, מתמרים, SONAR, מכשירים אקוסטיים, מנועים ואחרים.
בין אלה, חטיבת החיישנים צפויה להתרחב ב-CAGR משמעותי בשל היישום של הטכנולוגיה במספר תחומים, כולל מוצרי אלקטרוניקה, קווי ייצור וכלי רכב אוטומטיים.
בינתיים, מפעילים, הממירים אותות חשמליים הנשלחים על ידי המערכת לאנרגיה מכנית לצורך בקרה על מנת לבצע פעולה ספציפית, צפויים להוות את נתח השוק הגדול ביותר של חומרים פיזואלקטריים, המונע על ידי היישום שלו בזרועות רובוטיות, בקרת דיוק של עיבוד שבבי תעשייתי כלים, ומערכות בלימה והאצה של רכב.
מוצרי צריכה כמו מיקרוגלים, טלוויזיות, מכונות כביסה וצעצועים בשלט רחוק, המשתמשים בחומרי פיזו לשליטה ועיבוד של מוצרים אלה, צפויים לשמור על ההובלה שלהם בשוק העולמי. נגרר מאחור תעשיית הרכב, אשר צפויה לצמוח ב-CAGR יציב.
חברות המשתמשות בטכנולוגיות פיזואלקטריות
כעת, כשמדובר בחברות המתקדמות את התחום הזה, יש לנו את USound, שרמקולי ה-MEMS שלה מנצלים את האפקט הפיאזואלקטרי, ואת Noliac, המפתחת מפעילי פיזו, גנרטורים ושנאים.
Kinetic Ceramics היא עוד אחת שהתמחויותיה כוללות מפעילים פיזואלקטריים, שסתומים פיזואלקטריים, משאבות מוצק, עיבוד שבבי מדויק, מערכות חכמות ומערכות בקרת תנועה.
Piezo Technologies של Amphenol Corporation (אפי +% 1.1) מתמחה גם בחומרים קרמיים פיזואלקטריים ומתמרים קוליים. מוצריה כוללים גם מכשירים, מכלולים ומערכות המשמשים בתעופה וחלל, הגנה, רכב, תחבורה והנדסה אזרחית.
תאגיד CTS (כצט -1.62%) מייצרת מוצרים פיזואלקטריים במגזרי הרפואה, התעופה והחלל והתעשייה. מניות חברת שווי השוק של 1.43 מיליארד דולר נסחרות כעת במחיר של 47.21 דולר, עלייה של 7.93% מהשנה עד היום (YTD). יש לה EPS (TTM) של 1.77 ו-P/E של (TTM) של 26.66, בעוד שהיא משלמת תשואת דיבידנד של 0.34%.
תאגיד CTS (כצט -1.62%)
L3 האריס טכנולוגיות (LHX -0.53%)
חברה זו מספקת פתרונות טכנולוגיים מקצה לקצה המחברים בין תחומי האוויר, החלל, היבשה, הים והסייבר. הוא גם מעצב צורות קרמיקה פיזואלקטריות עבור יישומים שונים בתחומי הסונאר והאקוסטיקה הצבאיים, הדמיה רפואית, טיפול בסרטן וקצירת אנרגיה. L3Harris מתגאה בלמעלה מ-70 שנות מומחיות במדעי החומר בגיבוש קרמיקה פיזואלקטרית בעלת ביצועים גבוהים, כולל חומרים PZT, PT ו-PMN עבור לקוחות צבאיים ומסחריים כאחד.
פורמולציות האבקה הקרמיות הפיזואלקטריות של החברה הן אחידות, בעלות ביצועים גבוהים, עדינים וצפיפות גבוהה, מה שהופך אותן למתאימים למגוון רחב של שימושים, כולל מתמרים וחומרים מותאמים אישית התומכים בטיפול בסרטן, מתן תרופות, הדמיה, טיפול בפצעים. קרמיקה פיזואלקטרית מבית L3Harris קוטפת אנרגיה מלחץ או רטט שאחרת היו מתבזבזים, ככזו עוזרת להפחית את התלות בסוללות על ידי אספקת חשמל לרשתות חיישנים אלחוטיות.
L3Harris Technologies, Inc. (LHX -0.53%)
בזמן כתיבת שורות אלה, מניית LHX נסחרת במחיר של 248.15 דולר, עלייה של 17.82% השנה עד כה, מה שמעמיד את שווי השוק שלה על 47 מיליארד דולר. עם זאת, ה- EPS (TTM) של החברה הוא 6.25 ו-P/E (TTM) של 39.72 תוך תשלום תשואת דיבידנד של 1.87%. בעוד L3Harris Technologies תפרסם את התוצאות הכספיות שלה לרבעון השלישי של 3 בימים הקרובים, עבור הרבעון השני של 2024, החברה דיווח הכנסות של 4.5 מיליארד דולר, גידול של 13%, בעוד שרווח התפעול שלה עמד על 9%.
"סיפקנו עוד רבעון חזק של תוצאות פיננסיות עם רווחים משופרים, המשקפים את המחויבות שלנו למצוינות תפעולית והתמקדות בלתי פוסקת בביצוע המספק ערך ללקוחותינו ולבעלי המניות שלנו".
– מנכ"ל כריסטופר א. קובאסיק
סיכום
מנורות רחוב המופעלות על ידי התנועה ועד קומות המסוגלות להפעיל את תאורת הבניין ועד לצמיגים הטעינים רכב, לחומרים פיזואלקטריים יש פוטנציאל לחולל מהפכה בתחום האנרגיה הנקייה. עם זאת, גם חומרים אלו אינם חפים מאתגרים, ומכאן הפיתוח של חומרים פיזואלקטריים נטולי עופרת.
חומרים חדשים אלה, כמו כלקוגניד פרוסקיטים, מסמנים התקדמות משמעותית בטכנולוגיות קצירת אנרגיה בת קיימא. עם הרעילות הנמוכה שלהם, היציבות הגבוהה והתגובה הפיאזואלקטרית המשופרת שלהם תחת לחץ, הם יכולים לעזור לממש באמת את הפוטנציאל של חומרים פיזואלקטריים ולחולל מהפכה בייצור אנרגיה. וכאשר החוקרים ממשיכים לחקור את החומרים החדשים הללו על ידי שימוש בבינה מלאכותית, תחום זה יכול לסלול את הדרך לחידושים במכשירים ביו-רפואיים, תשתיות וטכנולוגיה לבישה באופן בר קיימא.
לחץ כאן כדי ללמוד כיצד ההתקדמות בחומרים מרוכבים פיזואלקטריים מאפשרת רתימה ופרשנות של אנרגיה קינטית.
