Materiales Piezoeléctricos – La Fuente de Energía Más Común y Desconocida

Con nuevas aplicaciones prácticas en desarrollo cada día, se espera que la industria de los materiales piezoeléctricos alcance aproximadamente $41 mil millones en los próximos tres años, con una tasa de crecimiento anual compuesta de casi el 6%. Este auge permitirá el desarrollo y la implementación adicional de polímeros piezoeléctricos amorfos y basados en películas de alta tecnología 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 para producir una carga eléctrica cuando se aplica estrés mecánico. Esta carga eléctrica se produce por asimetría forzada. En los materiales piezoeléctricos, las cargas positivas y negativas se separan entre sí, mientras permanecen alineadas en un patrón simétrico. Cuando se aplica estrés mecánico a la sustancia, se pierde esta simetría, lo que resulta en la producción 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 produciría una deformación mecánica repetible dentro del material. Este descubrimiento dio una gran utilidad a dichos materiales, ya que esencialmente duplicó sus casos de uso prospectivos.

Fabricantes e Innovadores

Antes de sumergirnos en ejemplos de casos de uso en el mundo real, los siguientes son tres empresas líderes que aprovechan los materiales piezoeléctricos en una variedad de productos integrales en la electrónica moderna.

Cabe destacar que los analistas de Barron’s actualmente clasifican cada una de las siguientes acciones como ‘sobre’ o ‘compra’.

Stoneridge (SRI)

Listado en la Bolsa de Valores de Nueva York, Stoneridge (SRI) ha visto aumentar el valor de sus acciones en más del 30% en el último año en el momento de la redacción. Mientras que los ingresos de Stoneridge se vieron afectados durante la pandemia de COVID, 2021 vio un rebote de casi el 20% a $770M

Stoneridge emplea a más de 5,000 personas y opera en el estado de Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Listado en la Bolsa de Valores de Nueva York, Methode Electronics Inc. ha visto aumentar el valor de sus acciones en casi el 15% en el último año en el momento de la redacción. En los últimos 4 años, Methode Electronics ha logrado seguir creciendo sus ingresos entre el 2,36% y el 10,13% cada año. Para 2022, los ingresos superaron los $1.16B.

Methode Electronics emplea a más de 7,000 personas y opera en el estado de Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Listado en Nasdaq, Kimball Electronics Inc. ha visto aumentar el valor de sus acciones en más del 32% en el último año en el momento de la redacción. Donde las empresas enumeradas anteriormente lucharon de 2019 a 2020, Kimball Electronics logró continuar aumentando sus ingresos. Totalizando $1.35B para 2022, esto marca un aumento del 4,47% sobre 2021.

Kimball Electronics emplea a más de 7,000 personas y opera en el estado de Indiana.

Avances Modernos

Tradicionalmente, se utilizaban sustancias piezoeléctricas naturales para demostrar el efecto. El material más comúnmente utilizado era el cuarzo. Cuando se alcanzaron los límites de las sustancias naturales, las cerámicas fabricadas se convirtieron en la opción popular. Diseñado en 1952, y todavía uno de los cerámicos piezoeléctricos más populares de hoy en día es PZT (zirconato de plomo titanato). Sin embargo, con desventajas como la deformación limitada, la fragilidad y una alta densidad de masa, PZT no es ideal para cada aplicación.

En 1964 se desarrolló PVDF (fluoruro de polivinilideno). PVDF tiene una estructura semicristalina y crea cargas varias veces mayores que el cuarzo. Aunque este polímero fabricado abordó muchas de las desventajas de PZT, tenía varias de las suyas propias – roturas piezoeléctricas a altas temperaturas, y degradación. Con los avances tecnológicos recientes y la creciente demanda, PZT y PVDF pueden haber alcanzado sus límites.

A principios de la década de 2000, institutos como GAIKER-IK4 comenzaron a desarrollar lo que se conoce como polímeros piezoeléctricos amorfos. Al utilizar una estructura amorfa, se pueden soportar temperaturas mucho más altas por la sustancia. Dado que los efectos piezoeléctricos no dependen de la estructura cristalina que se descompone a temperaturas más altas, las estructuras amorfásicas hacen que el polímero sea mucho más resistente.

Estos polímeros amorfos se están desarrollando porque ofrecen niveles más altos de deformación, reducción de peso y mayor resistencia. Al lograr esto, el campo de aplicaciones de los materiales ahora permite la incorporación de dispositivos y vehículos aeroespaciales. Con los nuevos polímeros y películas piezoeléctricas amorfos en desarrollo, el fallo durante el uso ocurrirá a temperaturas de aproximadamente 150°C y superiores. La degradación de la sustancia ocurrirá a aproximadamente 400°C. Si bien esto puede limitar su uso en condiciones extremas, la gran mayoría de las aplicaciones caen dentro de un rango adecuado.

Al igual que muchos nuevos materiales, estos polímeros se están desarrollando utilizando PVDF y PVT como fundamentos. Intentando mantener los atributos positivos de cada material mientras se eliminan tantas desventajas como sea posible. Aunque dichos productos son polímeros más nuevos, están modelados según los modelos actuales que funcionan.

Al utilizar una estructura amorfa, se deben realizar pruebas extensas sobre las temperaturas de transición vítrea óptimas. Este valor está directamente vinculado a la fuerza de las propiedades piezoeléctricas que poseerá el material. La estructura amorfa demuestra y depende del orden a corto plazo para producir un efecto piezoeléctrico en lugar del orden a largo plazo como se ve en las estructuras cristalinas. Además, muchos optan por incorporar polímeros de imida en la estructura de los materiales debido a sus propiedades mecánicas, dieléctricas y térmicas, con las polímeros de imida que garantizan el orientación de las moléculas independientemente de su posición.

Casos de Uso

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

Electrónica Móvil y Portable

Teléfonos celulares alimentados por conversación y dispositivos portátiles. Al utilizar la presión creada dentro del micrófono debido a las ondas sonoras, los polímeros piezoeléctricos pueden crear algún día la energía necesaria para usar el teléfono. Si bien es poco probable que este concepto elimine la necesidad de una batería en cualquier momento pronto, crea la posibilidad de extender la vida útil de la batería en dispositivos portátiles de baja potencia.

Cabe destacar que los materiales piezoeléctricos se han utilizado en micrófonos durante casi 100 años en este punto. 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 grabación y reproducción 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 en un esfuerzo por absorber/amortiguar las vibraciones. Cuando se produce un impacto en la raqueta o el esquí, el efecto recíproco se aprovecha al enviar la señal eléctrica creada a un material inverso que proporciona una fuerza opuesta. Esto da como resultado un sistema de amortiguación efectivo.

Este mismo concepto se está aplicando a la reducción de ruido y vibraciones en automóviles, hogares y entornos de trabajo peligrosos. Un ejemplo de tal entorno sería las granjas de minería de Bitcoin. No solo las vibraciones son perjudiciales para el equipo electrónico a largo plazo, ha habido varios casos de comunidades circundantes en las que se llevan a cabo estas operaciones quejándose del ruido y las vibraciones resultantes del uso de dispositivos ASIC. En muchos escenarios similares, se utilizan actuadores piezoeléctricos 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 se puede eliminar, o al menos reducir, con métodos tradicionales como un material de amortiguación adhesivo. Estos materiales funcionan de forma pasiva, y son muy pesados y costosos. Por lo general, funcionan reduciendo la frecuencia de resonancia de un material. Aprovechar las propiedades de los polímeros piezoeléctricos resuelve este problema al tomar un enfoque más activo y dinámico descrito anteriormente.

Soluciones de Limpieza

Para demostrar lo versátiles que son los casos de uso de los materiales piezoeléctricos, considere el trabajo que están realizando empresas como Solar PiezoClean. En este caso, la empresa está cubriendo paneles solares con una película piezoeléctrica. El propósito es ofrecer un medio de bajo mantenimiento para mantener los paneles solares limpios – una clave para garantizar la 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 todo esto significa es ahorro de agua y mano de obra, mientras se aumenta la longevidad y la eficiencia de los paneles cubiertos. Una solución simple, pero ingeniosa, a un problema que solo está creciendo a medida que las instalaciones solares se vuelven más comunes.

Las implementaciones más comunes de materiales piezoeléctricos de esta manera incluyen dispositivos de limpieza ultrasónicos como limpiadores de joyas.

Aeroespacio

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 esfuerzos a través de la medición de las cargas eléctricas producidas – un caso de uso que puede permitir no solo una mayor seguridad, sino también mayores eficiencias al permitir que los ingenieros corten peso y fortalezcan 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 hagan micropropulsores capaces de una posición de satélite adecuada.

Herramientas de Diagnóstico de Atención Médica

A medida que nuestra capacidad para crear dispositivos cada vez más pequeños mejora, ahora estamos utilizando materiales piezoeléctricos en varias herramientas de diagnóstico en la atención médica. Un ejemplo de esto es la ecografía intravascular (IVUS). La IVUS es un proceso que permite que pequebas sondas generen imágenes desde dentro de los vasos sanguíneos. Esto se hace a través del uso de transductores de ultrasonido construidos con cristales piezoeléctricos individuales.

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

Sonar

Los sistemas de sonar (sonido y navegación) se pueden utilizar para proporcionar imágenes o para la comunicación. Ejemplos de imágenes incluyen la cartografía topográfica de los fondos marinos o los detectores de peces de todos los días. Mientras que la comunicación se puede lograr a través de 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 ampliamente conocido de esto sería su implementación en automóviles autónomos, que generalmente utilizan una combinación de sonar, LIDAR y radar para rastrear e interpretar los alrededores.

Cosecha de Energía

Finalmente, una aplicación muy intrigante sería la producción de energía a gran escala. Los polímeros piezoeléctricos se están desarrollando para colocar en áreas de alto tráfico, incluidas varias fábricas, campos deportivos, estaciones de tren y más en todo el mundo. Un trozo de cuarzo de 1cm³ es capaz de producir hasta 4,500V de electricidad cuando se aplica una fuerza de 175lbs. Con cada paso que golpea el suelo en dichas estaciones que crea esta electricidad, hay el potencial de aprovechar cantidades enormes ya que se crea diariamente – lo que aumenta enormemente la eficiencia y los costos de electricidad para el edificio.

Más allá del tráfico peatonal, muchos han imaginado un futuro en el que las carreteras están incrustadas con dichos materiales, creando electricidad para alimentar luces y señales de tráfico a medida que los automóviles ejercen fuerza física sobre ellos.

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

Palabra Final

En general, el potencial de los materiales piezoeléctricos apenas comienza a realizarse. 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, siguen los aumentos en eficiencia y durabilidad. Los avances científicos modernos solo ahora nos permiten darnos cuenta, o al menos entender, el verdadero potencial de esta fuente de energía, con los casos de uso enumerados aquí (generación de electricidad, amortiguación de sonido, sonar, sensores, actuadores, etc.) siendo solo unos pocos de los innumerables posibles.