Materialevidenskab
Piezoelektriske polymerer – Udnyttelse af vibrationer og strukturelle belastninger til fri energi
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Et forskerteam har skabt en polymerfilm fyldt med et chalcogenid-perovskiteforbindelse, som genererer elektricitet, når den udsættes for belastning. Dette fænomen er kendt som den piezoelektriske effekt, som simpelthen er evnen hos visse materialer til at generere en elektrisk ladning, når der påføres mekanisk stress.
Den piezoelektriske effekt forekommer i materialer, der mangler krystallinsk struktursymmetri. Krystaller, keramik, polymerer og biologisk materiale såsom knogle, DNA og forskellige proteiner er forskellige typer af piezoelektriske materialer.
Sådanne materialer har potentialet til at indsamle energi relateret til mekaniske vibrationer. Det bedste ved denne energiform er, at den er til stede overalt omkring os i rigelige mængder og er vedvarende af natur.
Denne er dog, som de seneste forskningsnoter viser, piezoelektriske materialer, der præsterer bedst, har tendens til at indeholde det kemiske grundstof bly (Pb), som kan forårsage kræft, øge risikoen for hjernetumorer og hæmme DNA-reparation.
Materialer, der indeholder bly, er farlige, og myndigheder har begrænset deres brug for at beskytte miljøet.
På grund af blyets toksicitet, som er et tungt, smidigt, naturligt forekommende metal med relativt lavt smeltepunkt, udfases det i stigende grad fra materialer og enheder.
Derfor var teamets mål at skabe et materiale, der er blyfrit og kan fremstilles billigt ved brug af elementer, der almindeligt forekommer i naturen.
Således benyttede teamet fra Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) et materiale, der ikke kun er blyfrit, men også er et af de få højtydende. Derfor er det en fremragende kandidat til brug i biomedicinske anvendelser, maskiner og infrastruktur.
Det blyfri materiale, som teamet brugte, tilhører chalcogenid-perovskitefamilien, som udviser piezoelektricitet. BaZrS3 var den sammensætning, der blev anvendt i undersøgelsen, og som rapporteres at have en udtalt piezoelektrisk respons.
Chalcogenid-perovskitter har for nylig fået stor opmærksomhed og fremskridt. Denne familie af forbindelser er relateret til perovskitstrukturer, som har mange fordelagtige egenskaber såsom lav toksicitet, høj stabilitet, direkte båndgabs, god ladningstransport og stærk lysabsorption.
Disse egenskaber får perovskitter til virkelig at skille sig ud i anvendelser som fotovoltaik, fotodetektorer, lysudsendende enheder og fotokatalysatorer.
Interessant nok er de fleste højtydende piezoelektriske materialer ikke-centralsymmetriske og viser derfor en indbygget høj polariserbarhed. Mange oxid-perovskitter, herunder den der blev brugt i studiet, udviser dog en centralsymmetrisk krystalstruktur, som er svagt piezoelektrisk i sin rene form. Disse forbindelser er faktisk ikke-polare, fordi de grundlæggende mangler et netto dipolmoment.
Dipolmomentet er den videnskabelige betegnelse for, hvordan piezoelektriske materialer opfører sig under stress, dvs. deformation på en måde, der får positive og negative ioner i materialet til at adskilles. Dette dipolmoment kan udnyttes og omdannes til en elektrisk strøm.
Men uden et netto dipolmoment, hvordan opnåede teamet piezoelektricitet? De udnyttede den løse pakning i chalcogenid-perovskitstrukturen for at overvinde problemet.
Skalering af teknologien til grønne energianvendelser
Den seneste undersøgelse beskriver, at på trods af at de er centralsymmetriske, bliver blyfri chalcogenid-perovskitmaterialer hurtigt polariserbare, når de deformeres. Dette skyldes en løst pakket enhedscelle, som har meget tom plads.
Dette betydelige volumen af tom plads muliggør en udvidet forskydning af ioner, hvilket igen tillader en reduktion af symmetrien og resulterer i et forstærket forskydningsmedieret dipolmoment.
Teamet udførte en piezorespons kraftmikroskopi (PFM) på BaZrS3 for at bekræfte materialets piezoelektricitet.
PFM er en funktionel atomkraftmikroskopi (AFM)-model, der er anerkendt for den unikke information, den giver om de elektromechaniske egenskaber ved forskellige materialer på nanometerskala.
Strukturel symmetri i chalcogenid-perovskitmaterialet kan ifølge teamet let brydes under stress, hvilket fører til en forbedret piezoelektrisk respons. Således udviklede teamet, efter bekræftelse, kompositter af BaZrS3-partikler spredt i polycaprolacton.
Det nye syntetiserede materiale indeholder barium, zirkonium og svovl, som derefter blev brugt til at indsamle energi fra menneskekroppens bevægelse og drive elektrokemiske og elektroniske enheder.
Teamet testede materialets evne til at generere elektricitet ved at udsætte det for kropsbevægelser som løb, gang, fingerklap og klapren. Den elektricitet, der blev produceret under eksperimentet, viste sig at være tilstrækkelig til at drive LED‑banker, der stavede RPI.
“Vi er begejstrede og opmuntrede over vores fund og deres potentiale til at støtte overgangen til grøn energi.”
– Nikhil Koratkar, medforfatter af studiet
Materialet, ifølge ham, omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Ifølge Koratkar:
“Jo større den påførte tryklast er, og jo større det overfladeareal, som trykket påføres, jo større er effekten.”
Den energihøstende film, som teamet har skabt, er kun 0,3 millimeter tyk og kan integreres i forskellige maskiner, enheder og strukturer som bygninger og motorveje for at producere elektricitet, når de vibrerer, eller når køretøjer kører over dem.
De tests, som teamet har udført, viser også, at teknologien kan være nyttig på utallige måder, herunder i en enhed, som cyklister eller løbere kan bære, der lyser hjelme eller skilte op for at gøre dem mere synlige.
Det skal dog siges, at det i øjeblikket kun er et proof of concept. Teamet håber at “til sidst se denne slags materiale implementeret i stor skala, hvor det virkelig kan gøre en forskel i energiproduktionen,” sagde Koratkar.
Nu vil forskerne i de næste skridt undersøge hele familien af chalcogenid-perovskitforbindelser for at finde et materiale, der udviser en stærkere piezoelektrisk effekt. Til dette vil teamet anvende kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML).
“Sustainable energy production is vital to our future,” said Shekhar Garde, Ph.D., dean of the RPI School of Engineering, while applauding the RPI team’s efforts in materials discovery that he says “can help address a global problem.”
Den transformerende indvirkning af piezoelektricitet
Piezoelektricitet blev først identificeret af Jacques og Pierre Curie i 1880, og i dag anvendes fænomenet bredt i virkelige applikationer. Deres evne til direkte at omdanne elektrisk og mekanisk energi gør dem yderst attraktive til anvendelser som energihøstningsenheder.
Et af de mest almindelige eksempler på piezoelektricitet er elektriske lightere. Når du trykker på en knap, rammer fjederens løftestang piezoelektriske krystaller, og denne mekaniske stress skaber en elektrisk strøm, som derefter antænder en flamme for at tænde gassen. Du kan finde eksempler på piezoelektricitet overalt i din dagligdag.
Som vi har detaljeret i vores tidligere artikel, er piezoelektricitet faktisk blevet et grundlæggende princip, der anvendes i moderne teknologi, fra mobiltelefoner og bærbare enheder, dæmpningssystemer og rengøringsløsninger til rumfart, sonar, medicinske diagnostiske værktøjer og aktuatorer.
På grund af dens omfattende anvendelse har der fundet flere fremskridt sted inden for deres område. Det hele startede med udviklingen af den populære piezoelektriske keramik PZT (blyzirkonat titanat) for omkring et halvt århundrede siden og derefter polyvinylidenfluorid (PVDF) i 1964.
Siden da har forskere arbejdet på at udvikle nye materialer og teknologier for at forbedre effektiviteten og alsidigheden af piezoelektriske enheder. Et vigtigt fokus har været at skabe miljøvenlige alternativer til blybaserede keramikker som PZT på grund af stigende bekymringer om blytoxicitet, som vi så i den ovennævnte undersøgelse.
Forskere har undersøgt materialer som bariumtitanat (BaTiO₃) og kaliumnatriumnobat (KNN) til dette formål, som tilbyder piezoelektriske egenskaber uden den skadelige miljøpåvirkning fra bly.
Derudover har fremskridt inden for polymerbaserede piezoelektriske materialer som PVDF og dets copolymerer gjort det muligt at integrere dem i smarte tekstiler, sensorer og medicinske implantater.
Piezoelektriske polymerer er faktisk blevet grundigt undersøgt til energihøstning på grund af deres iboende fleksibilitet og eftergivenhed, hvilket gør dem velegnede til anvendelser, hvor enheden skal bøjes meget for at kunne integreres i bærbare enheder.
Bærbar elektronik repræsenterer innovationen af traditionelle stive elektronik, og tilbyder revolutionerende løsninger inden for sundhedspleje, energi, neurovidenskab, metavers og bæredygtighed. Brug af piezoelektricitet i disse enheder gør det muligt for virksomheder at reducere behovet for hyppig opladning og batterier, hvilket giver brugerne bekvemmeligheden ved en bærbar enhed sammen med forbedret sikkerhed.
Nylige fremskridt inden for nanoteknologi har også gjort det muligt at skabe nanostrukturerede piezoelektriske materialer, som tilbyder forbedret ydeevne i reducerede størrelser.
For eksempel undersøges kvanteprikker, nanotråde og grafen for deres potentiale til væsentligt at forbedre følsomheden og effektiviteten af piezoelektriske systemer, hvilket gør dem meget gavnlige i anvendelser som fleksibel elektronik og næste generations billedteknologier.
Alle disse innovationer inden for piezoelektriske materialer har åbnet nye muligheder i forskellige industrier, og efterhånden som disse fremskridt fortsætter, vil det globale marked for piezoelektriske materialer opleve betydelig vækst.
En enorm vækst forude
Når det gælder det globale marked for piezoelektriske materialer, forventes det at vokse fra 1,52 milliarder dollars i 2024 til 2,19 milliarder dollars i 2032.
Mens begrænsede operationer i vigtige slutbrugersektorer som elektronik- og bilindustrien kritisk påvirkede efterspørgslen efter piezoelektriske materialer, så COVID-19 en stigning i efterspørgslen efter udstyr som oximetre, pyrometre, elektroniske termometre og automatiserede ventilatorer, som bruger piezo‑materialer til at omdanne en energiform til en anden. Dette påvirkede efterspørgslen efter disse materialer under krisen, bemærkede rapporten om Piezoelectric Materials Market.
Regionalt forventes det amerikanske marked, især, at vokse betydeligt og nå en anslået værdi på 248,48 milliarder dollars i de næste otte år, drevet af den voksende produktion inden for elektronik, IT og telekommunikationssektorerne. Landets omfattende rumforskningsprogram vil også bidrage til denne vækst.
Imens udgør størrelsen på Asien‑Stillehavsområdets marked 0,99 milliarder dollars og har en markedsandel på 68,28 % i 2023. Denne dominans skyldes, at Asien‑Stillehavsområdet fremstår som et produktionscenter for elektronik og forbrugsvarer med Kina, Japan, Taiwan, Indien og Sydkorea, der fokuserer på at udvide deres produktionskapacitet.
Mens markedet for piezoelektriske materialer i Latinamerika er i sin spæde start, er der observeret stigende efterspørgsel i Mellemøsten og Afrika på grund af regionens voksende sundheds‑ og elektronikindustri.
Med hensyn til anvendelse er markedet for piezoelektriske materialer segmenteret i sensorer, resonatorer, generatorer & transformatorer, aktuatorer, transducere, SONAR, akustiske enheder, motorer og andre.
Blandt disse forventes sensorafdelingen at vokse med en betydelig CAGR på grund af teknologiens anvendelse i flere felter, herunder forbrugerelektronik, produktionslinjer og autonome køretøjer.
Imens forventes aktuatorer, som omdanner elektriske signaler fra systemet til mekanisk energi for kontrol for at udføre en specifik handling, at udgøre den største markedsandel for piezoelektriske materialer, drevet af deres anvendelse i robotarme, præcisionskontrol af industrielle bearbejdningsværktøjer samt køretøjsbremse- og accelerationssystemer.
Forbrugsvarer som mikrobølgeovne, fjernsyn, vaskemaskiner og fjernstyrede legetøj, som bruger piezo‑materialer til at styre og drive disse produkter, forventes at fastholde deres førerposition på det globale marked. Bagud er bilindustrien, som forventes at vokse med en stabil CAGR.
Virksomheder, der anvender piezoelektriske teknologier
Når det kommer til virksomheder, der fremmer dette område, har vi USound, hvis MEMS-højttalere udnytter den piezoelektriske effekt, og Noliac, som udvikler piezoaktuatorer, generatorer og transformatorer.
Kinetic Ceramics er endnu en, hvis specialiteter omfatter piezoelektriske aktuatorer, piezoelektriske ventiler, solid‑state pumper, præcisionsbearbejdning, intelligente systemer og bevægelsesstyringssystemer.
Amphenol Corporations Piezo Technologies (APH ) specialiserer sig også i piezoelektriske keramiske materialer og ultrasoniske transducere. Deres produkter omfatter også enheder, samlinger og systemer, der bruges i rumfart, forsvar, bilindustri, transport og civilingeniørarbejde.
CTS Corporation (CTS ) fremstiller piezoelektriske produkter inden for med‑tech, rumfart og industrielle sektorer. Virksomhedens markedsværdi på 1,43 milliarder dollars har i øjeblikket aktier, der handles til 47,21 dollars, op 7,93 % år‑til‑dato (YTD). Den har en EPS (TTM) på 1,77 og en P/E (TTM) på 26,66, mens den betaler et udbytte på 0,34 %.
CTS Prisdiagram
L3Harris Technologies
Dette firma leverer end‑to‑end teknologiløsninger, der forbinder luft-, rum-, land-, sø- og cyberdomænerne. Det designer også piezoelektriske keramiske former til forskellige anvendelser inden for militært sonar og akustik, medicinsk billeddannelse, kræftbehandling og energihøstning. L3Harris kan prale af over 70 års materialvidenskabelig ekspertise i formulering af højtydende piezoelektriske keramikker, herunder PZT-, PT- og PMN-materialer for både militære og kommercielle kunder.
Firmaets piezoelektriske keramiske pulverformuleringer er ensartede, højtydende, fin‑kornede og høj‑densitet, hvilket gør dem velegnede til en bred vifte af anvendelser, herunder transducere og stærkt tilpassede materialer, der understøtter kræftbehandling, lægemiddellevering, billeddannelse og sårpleje. Piezoelektrisk keramik fra L3Harris høster energi fra tryk eller vibration, som ellers ville gå til spilde, og hjælper dermed med at reducere afhængigheden af batterier ved at levere strøm til trådløse sensornetværk.
LHX Prisdiagram
På tidspunktet for skrivning handles LHX-aktier til 248,15 dollars, op 17,82 % i år indtil videre, hvilket giver en markedsværdi på 47 milliarder dollars. Med dette er firmaets EPS (TTM) 6,25 og en P/E (TTM) på 39,72, mens det betaler et udbytte på 1,87 %. Selvom L3Harris Technologies (LHX ) vil offentliggøre sine Q3 2024‑resultater i de kommende dage, rapporterede firmaet for 2Q24 en omsætning på 4,5 milliarder dollars, en stigning på 13 %, mens driftsmarginen var 9 %.
“Vi leverede endnu et stærkt kvartal med finansielle resultater og forbedrede marginer, hvilket afspejler vores engagement i operationel ekspertise og en utrættelig fokus på udførelse, der leverer værdi til vores kunder og aktionærer.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Konklusion
Fra gadebelysning drevet af trafikken til gulve, der kan forsyne bygningens belysning, til dæk, der oplader et køretøj, har piezoelektriske materialer potentialet til at revolutionere den rene energisektor. Dog er selv disse materialer ikke uden udfordringer, hvorfor udviklingen af blyfri piezoelektriske materialer er nødvendig.
Disse nye materialer, som chalcogenid-perovskitter, markerer et betydeligt fremskridt inden for bæredygtige energihøstningsteknologier. Med deres lave toksicitet, høje stabilitet og forbedrede piezoelektriske respons under stress kan de virkelig realisere potentialet for piezoelektriske materialer og revolutionere energiproduktion. Og efterhånden som forskere fortsætter med at udforske disse nye materialer ved hjælp af AI, kan dette felt bane vejen for innovationer inden for biomedicinske enheder, infrastruktur og bærbar teknologi på en bæredygtig måde.
