Materiales piezoeléctricos – La fuente de energía desconocida más común

Con nuevas aplicaciones prácticas desarrollándose cada día, se espera que la industria piezoeléctrica alcance aproximadamente $41 billion dentro de los próximos tres años, con una tasa de crecimiento anual compuesta de casi el 6 %. Este auge permitirá el desarrollo e implementación adicionales de polímeros piezoeléctricos de alta tecnología, amorfos y basados en películas, en el mundo moderno.

¿Qué son los materiales piezoeléctricos?

Los materiales piezoeléctricos nos permiten aprovechar la energía cinética, transformando la fuerza en una carga eléctrica.  Definidos por primera vez por los hermanos Curie en 1880, la piezoelectricidad se ha convertido en un principio fundamental explotado en la tecnología moderna.

La piezoelectricidad se refiere a la capacidad de una sustancia de producir una carga eléctrica cuando se le aplica una tensión mecánica. Esta carga eléctrica se genera mediante una asimetría forzada.  En los materiales piezoeléctricos, las cargas positivas y negativas se separan entre sí, manteniéndose alineadas en un patrón simétrico.  Cuando se aplica tensión mecánica a la sustancia, se pierde esa simetría, lo que resulta en la generación de una carga eléctrica.

Fase beta de PVDF.

Otra propiedad única de los materiales es la naturaleza aleatoria y la presencia de dominios de Weiss (orientados magnéticamente sin influencia magnética externa).

Más tarde se descubrió que estos mismos materiales demostraban una propiedad inversa directa al efecto eléctrico.  Se encontró que, si se aplicaba una carga eléctrica al material, se producía una deformación mecánica repetible dentro del mismo.  Este descubrimiento otorgó una gran utilidad a dichos materiales, ya que esencialmente duplicó sus posibles casos de uso.

Fabricantes e Innovadores

Antes de sumergirnos en ejemplos de casos de uso del mundo real, a continuación se presentan un trío de empresas líderes que aprovechan los materiales piezoeléctricos en una variedad de productos esenciales en la electrónica moderna.
Cabe destacar que los analistas de Barr’s enumeran actualmente cada una de las siguientes acciones como ‘sobrevalorada’ o ‘comprar’.

Stoneridge (SRI)

Cotizada en la NYSE, Stoneridge (SRI) ha visto que sus acciones aumentaron en valor en más de un 30 % en el último año al momento de redactar este artículo.  Aunque los ingresos de Stoneridge se vieron afectados durante el pico de la COVID, 2021 experimentó una recuperación de casi el 20 % hasta $770 M.
Stoneridge emplea a más de 5 000 personas y opera en el estado de Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Cotizada en la NYSE, Methode Electronics Inc. ha visto que sus acciones aumentaron en valor en casi un 15 % en el último año al momento de redactar este artículo.  En los últimos 4 años, Methode Electronics ha logrado seguir incrementando sus ingresos entre un 2,36 % y un 10,13 % cada año.  En 2022, los ingresos superaron los $1,16 B.
Methode Electronics emplea a más de 7 000 personas y opera en el estado de Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Cotizada en Nasdaq, Kimball Electronics Inc. ha visto que sus acciones aumentaron en valor en más de un 32 % en el último año al momento de redactar este artículo.  Mientras que las empresas mencionadas anteriormente tuvieron dificultades entre 2019‑2020, Kimball Electronics logró mantener un crecimiento continuo de sus ingresos.  Con un total de $1,35 B en 2022, esto representa un aumento del 4,47 % respecto a 2021.
Kimball Electronics emplea a más de 7 000 personas y opera en el estado de Indiana.

Avances modernos

Tradicionalmente, se utilizaban sustancias piezoeléctricas de origen natural para demostrar el efecto.  Más comúnmente, el material elegido era el cuarzo.  Cuando se alcanzaron los límites de las sustancias naturales, los cerámicos fabricados artificialmente se convirtieron en la opción popular.  Diseñado en 1952, y aún hoy uno de los cerámicos piezoeléctricos más populares es el PZT (titanato de zirconio y plomo).  Sin embargo, con desventajas como deformación limitada, fragilidad y alta densidad de masa, el PZT no es ideal para todas las aplicaciones.

En 1964 se desarrolló el PVDF (polifluoruro de vinilideno).  El PVDF tiene una estructura semi‑cristalina y genera cargas varias veces mayores que el cuarzo.  Aunque este polímero fabricado resolvió muchas de las desventajas del PZT, presentaba sus propios problemas: fallas piezoeléctricas a altas temperaturas y degradación.  Con los recientes avances tecnológicos y la creciente demanda, el PZT y el PVDF pueden haber alcanzado sus límites.

A principios de los años 2000, institutos como GAIKER‑IK4 comenzaron a desarrollar lo que se conoce como polímeros piezoeléctricos amorfos.  Al utilizar una estructura amorfa, la sustancia puede soportar temperaturas mucho más altas.  Dado que los efectos piezoeléctricos no dependen de la estructura cristalina que se descompone a altas temperaturas, las estructuras amorfas proporcionan un polímero mucho más resistente.

Estos polímeros amorfos están siendo desarrollados porque ofrecen mayores niveles de deformación, gran reducción de peso y mayor robustez.  Al lograr esto, el campo de aplicaciones de los materiales ahora permite la incorporación en la industria aeroespacial y dispositivos electrónicos.  Con los nuevos polímeros y películas piezoeléctricas amorfas en desarrollo, la falla durante el uso ocurrirá a temperaturas de aproximadamente 150 °C o más.  La degradación de la sustancia se producirá alrededor de los 400 °C.  Aunque esto puede limitar su uso en condiciones extremas, la gran mayoría de las aplicaciones se encuentran dentro de un rango adecuado.

Al igual que muchas sustancias nuevas, estos polímeros se están desarrollando utilizando PVDF y PVT como fundamentos.  Se intenta conservar los atributos positivos de cada material mientras se eliminan tantas desventajas como sea posible.  Aunque estos productos son polímeros más recientes, están modelados a partir de los modelos funcionales actuales.

Al utilizar una estructura amorfa, se debe realizar un extenso ensayo de las temperaturas óptimas de transición vítrea.  Este valor está directamente ligado a la intensidad de las propiedades piezoeléctricas que poseerá el material.  La estructura amorfa demuestra y depende de un orden de corto alcance para producir el efecto piezoeléctrico, en lugar del orden de largo alcance que se observa en estructuras cristalinas.  Además de esto, muchos optan por incorporar poliamidas en la estructura de los materiales debido a sus propiedades mecánicas, dieléctricas y térmicas, garantizando el alineamiento de las moléculas sin importar su posición.

Casos de uso

Las aplicaciones pasadas y actuales de los materiales piezoeléctricos incluyen muchos objetos discretos como encendedores, relojes de cuarzo e incluso sistemas de gestión de motores.  El uso más común de ellos actualmente sería en sensores y actuadores.  Si bien se han aplicado materiales piezoeléctricos adecuados para estos casos, las aplicaciones futuras exigen un material más versátil.  Afortunadamente, los polímeros piezoeléctricos en desarrollo son precisamente eso: versátiles.  Con los constantes avances en nuestra comprensión de la ciencia de materiales y su capacidad para mostrar efectos inversos directos, el número de aplicaciones en las que pueden usarse sigue aumentando.  Algunas aplicaciones presentes y potenciales futuras intrigantes incluyen,

Electrónica móvil y portátil

Teléfonos móviles alimentados por conversación y dispositivos portátiles.  Al aprovechar la presión generada dentro del micrófono por las ondas sonoras, los polímeros piezoeléctricos podrían, algún día, generar la energía suficiente para usar el teléfono.  Aunque es poco probable que este concepto elimine por completo la necesidad de una batería en el corto plazo, crea la posibilidad de extender la vida útil de la batería en dispositivos inteligentes portátiles de bajo consumo.

Cabe señalar que los materiales piezoeléctricos se han utilizado en micrófonos durante casi 100 años.  En lugar de que el objetivo final sea cargar un dispositivo, estas aplicaciones permiten la conversión de ondas sonoras en electricidad con el propósito de grabar y reproducir de manera rentable.

Sistemas de amortiguación

Otra aplicación es el uso de materiales piezoeléctricos en sistemas de amortiguación.  Empresas como HEAD han incorporado esta idea en sus raquetas de tenis y esquís con el fin de absorber/amortiguar vibraciones.  Cuando ocurre un impacto en la raqueta o el esquí, el efecto recíproco se aprovecha enviando la señal eléctrica generada a un material inverso que brinda una fuerza opuesta.  Esto resulta en un sistema de amortiguación eficaz.

Este mismo concepto se está aplicando a la reducción de ruido y vibraciones en automóviles, hogares y entornos laborales peligrosos.  Un ejemplo de dicho entorno serían las granjas de minería de Bitcoin.  No solo las vibraciones son dañinas para el equipo electrónico a largo plazo, sino que también ha habido varios casos de comunidades circundantes donde operan estas instalaciones quejándose del ruido y vibraciones resultantes del uso de dispositivos ASIC.  En muchos escenarios similares, los actuadores basados en piezo se utilizan como solución para amortiguar cada uno de estos efectos.  Con ondas sonoras creadas en automóviles, hogares y maquinaria por materiales que reverberan, este ruido también puede eliminarse, o al menos reducirse, con métodos tradicionales como un material amortiguador adhesivo.  Estos materiales funcionan de forma pasiva, sin embargo, son muy pesados y costosos.  Normalmente funcionan al reducir la frecuencia resonante de un material.  Explotar las propiedades de los polímeros piezoeléctricos resuelve este problema al adoptar el enfoque más activo y dinámico descrito anteriormente.

Soluciones de limpieza

Para demostrar cuán versátiles son los casos de uso de los materiales piezoeléctricos, considere el trabajo realizado por empresas como Solar PiezoClean.  En este caso, la empresa está recubriendo paneles solares con una película piezoeléctrica.  El objetivo es ofrecer un método de bajo mantenimiento para mantener limpios los paneles solares, clave para garantizar una eficiencia óptima.

Este proceso implica aplicar una carga eléctrica a la película, que luego vibra a una frecuencia y tono específicos que permiten que el polvo y la suciedad simplemente caigan con la ayuda de la gravedad.  Lo que esto significa es ahorro de agua y mano de obra, al tiempo que se aumenta la longevidad y eficiencia de los paneles recubiertos.  Una solución simple, pero ingeniosa, a un problema que solo crece a medida que las instalaciones solares se vuelven más comunes.

Implementaciones más comunes de materiales piezoeléctricos de esta manera incluyen dispositivos de limpieza ultrasónica como limpiadores de joyas.

Aeroespacial

Anteriormente mencionamos el uso de materiales piezoeléctricos en el sector aeroespacial.  Aquí, los aviones pueden utilizar dichos materiales para monitorear la integridad estructural y los factores de estrés mediante la medición de las cargas eléctricas producidas, un caso de uso que puede permitir no solo una mayor seguridad, sino también una mayor eficiencia al permitir a los ingenieros reducir peso y reforzar estructuras donde sea necesario.

Más allá de nuestra atmósfera, los actuadores piezoeléctricos se utilizan en muchos satélites.  La capacidad de operar con precisión extrema permite que dichos actuadores generen micro‑propulsores capaces de posicionar adecuadamente los satélites.

Herramientas de diagnóstico en salud

A medida que nuestra capacidad para crear dispositivos cada vez más pequeños mejora, ahora utilizamos materiales piezoeléctricos en diversas herramientas de diagnóstico en el sector salud.  Un ejemplo de esto es el ultrasonido intravascular (IVUS).  El IVUS es un proceso que permite que diminutas sondas generen imágenes desde el interior de los vasos sanguíneos.  Esto se logra mediante el uso de transductores de ultrasonido construidos con cristales piezoeléctricos únicos.

Los materiales piezoeléctricos también se utilizan en ciertos equipos de odontología.  Similar a la solución de limpieza utilizada por SolarClean descrita anteriormente, este equipo depende de ondas ultrasónicas, generadas al aplicar una corriente eléctrica a los materiales piezoeléctricos, para limpiar/eliminar la placa de los dientes.

Sonar

Los sistemas de sonar (Sound Navigation and Ranging) pueden usarse para proporcionar imágenes o para comunicación.  Ejemplos de imágenes incluyen el mapeo topográfico de los fondos oceánicos o los buscadores de peces cotidianos.  Mientras tanto, la comunicación puede lograrse mediante la creación de ondas sonoras.  Cada uno de estos procesos es posible gracias al uso de transductores piezoeléctricos.

A pesar de haber sido desarrollado hace más de 100 años, el sonar sigue desempeñando un papel importante hoy en día.  El ejemplo más reciente y extendido de esto sería su implementación en automóviles autónomos, que típicamente utilizan una combinación de sonar, LIDAR y radar para rastrear e interpretar el entorno.

Captura de energía

Finalmente, una aplicación muy intrigante sería la producción de energía a gran escala.  Se están desarrollando polímeros piezoeléctricos para colocarlos en áreas de alto tráfico, incluidas diversas fábricas, campos deportivos, estaciones de tren y más en todo el mundo.  Un fragmento de cuarzo de 1 cm³ es capaz de generar hasta 4 500 V de electricidad cuando se aplica una fuerza de 175 lb.  Con cada paso que golpea el suelo en dichas estaciones creando esta electricidad, existe el potencial de aprovechar enormes cantidades a medida que se genera diariamente, aumentando considerablemente la eficiencia y reduciendo los costos eléctricos del edificio.

Más allá del tráfico peatonal, muchos han imaginado un futuro en el que las carreteras estén incrustadas con dichos materiales, generando electricidad para alimentar farolas y señales a medida que los automóviles ejercen fuerza física sobre ellas.

Cuando se combinan, tecnologías futuras como la carga inalámbrica de automóviles que está desarrollando Electreon, y superficies energizadas por empresas como Pavegen, esperarán algún día permitir reducir el tamaño de las baterías en los vehículos y una forma mucho más eficiente y limpia de mantener cargados los vehículos eléctricos.

Palabra final

En general, el potencial de los materiales piezoeléctricos apenas está comenzando a ser percibido.  Los efectos fotovoltaicos que hacen posible la energía solar se descubrieron a mediados del siglo XIX y solo ahora se están volviendo prácticos para un uso generalizado.  Los materiales piezoeléctricos no son diferentes, y a medida que la investigación y el desarrollo de estos materiales continúan, aumentan la eficiencia y la durabilidad.  Los avances científicos modernos solo ahora nos permiten percibir, o al menos comprender, el pleno potencial de esta fuente de energía, siendo los casos de uso enumerados aquí (generación de electricidad, amortiguación de sonido, sonar, sensores, actuadores, etc.) solo una pequeña muestra de las innumerables posibilidades.