Ciencia de materiales
Polímeros Piezoeléctricos – Aprovechando Vibraciones y Estrés Estructural para Energía Gratuita
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Un equipo de investigadores ha creado una película de polímero rellena con un compuesto perovskita de calcogenuro que genera electricidad cuando se somete a tensión. Este fenómeno se conoce como efecto piezoeléctrico, que es simplemente la capacidad de ciertos materiales de generar una carga eléctrica cuando se aplica una tensión mecánica.
El efecto piezoeléctrico ocurre en materiales que carecen de simetría estructural cristalina. Cristales, cerámicas, polímeros y materia biológica como hueso, ADN y diversas proteínas son diferentes tipos de materiales piezoeléctricos.
Estos materiales tienen el potencial de recolectar la energía relacionada con vibraciones mecánicas. Lo mejor de esta forma de energía es que está presente a nuestro alrededor en abundante suministro y es de naturaleza renovable.
Sin embargo, según las últimas notas de investigación, materiales piezoeléctricos que tienen mejor desempeño tienden a contener el elemento químico plomo (Pb), que puede causar cáncer, aumentar el riesgo de tumores cerebrales y dificultar la reparación del ADN.
Los materiales que contienen plomo son peligrosos, y los reguladores han limitado su uso para proteger el medio ambiente.
Dada la toxicidad del plomo, que es un metal pesado, maleable y de origen natural con un punto de fusión relativamente bajo, se está eliminando progresivamente de materiales y dispositivos.
Por lo tanto, el objetivo del equipo fue crear un material libre de plomo y que pudiera fabricarse de manera económica utilizando elementos que se encuentran comúnmente en la naturaleza.
Así, el equipo del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) utilizó un material que no solo no contiene plomo, sino que también es uno de los pocos de alto rendimiento. Por ello, es un gran candidato para su uso en aplicaciones biomédicas, máquinas e infraestructura.
El material libre de plomo que el equipo utilizó pertenece a la familia de perovskitas de calcogenuro que exhiben piezoelectricidad. BaZrS3 fue la composición usada en el estudio, la cual se reporta que tiene una respuesta piezoeléctrica pronunciada.
Las perovskitas de calcogenuro han recibido mucha atención y avances últimamente. Esta familia de compuestos está relacionada con estructuras perovskita, que poseen muchas propiedades favorables como baja toxicidad, alta estabilidad, band gaps directos, buenas capacidades de transporte de portadores y fuerte absorción de luz.
Estas propiedades hacen que las perovskitas destaquen en aplicaciones como fotovoltaica, fotodetectores, dispositivos emisores de luz y fotocatalizadores.
Curiosamente, la mayoría de los materiales piezoeléctricos de alto rendimiento son no centrossimétricos y, por lo tanto, presentan una polarizabilidad intrínsecamente alta. Sin embargo, muchas perovskitas de óxido, incluida la utilizada en el estudio, exhiben una estructura cristalina centrossimétrica, que es débilmente piezoeléctrica en su forma prístina. Estos compuestos son en realidad no polares porque carecen inherentemente de un momento dipolar neto.
El momento dipolar es el nombre científico de la forma en que los materiales piezoeléctricos actúan bajo tensión, que es una deformación que causa la separación de iones positivos y negativos en el material. Este momento dipolar puede ser aprovechado y convertido en una corriente eléctrica.
Pero sin un momento dipolar neto, ¿cómo logró el equipo la piezoelectricidad? Bueno, aprovechan el empaquetado suelto dentro de la estructura de perovskita de calcogenuro para superar el problema.
Escalando la Tecnología para Aplicaciones de Energía Verde
El estudio más reciente detalla que, a pesar de ser centrossimétricos, los materiales de perovskita de calcogenuro libres de plomo se polarizan muy rápidamente cuando se deforman. Esto se debe a una celda unitaria de empaquetado suelto, que posee mucho espacio vacío.
Este volumen significativo de espacio vacío permite un desplazamiento extendido de iones, lo que, a su vez, permite la reducción de la simetría y resulta en un momento dipolar amplificado mediado por el desplazamiento.
El equipo realizó una microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) en BaZrS3 para confirmar la piezoelectricidad del material.
La PFM es un modelo funcional de microscopía de fuerza atómica (AFM) que ha sido reconocido por la información única que ofrece sobre las propiedades electromecánicas de diversos materiales a escala nanométrica.
La simetría estructural en el material de perovskita de calcogenuro, según el equipo, puede romperse fácilmente bajo tensión, lo que conduce a una respuesta piezoeléctrica mejorada. Así, una vez confirmada, el equipo desarrolló composites de partículas de BaZrS3 dispersas en policaprolactona.
El nuevo material sintetizado contiene bario, zirconio y azufre, los cuales fueron luego utilizados para cosechar energía del movimiento del cuerpo humano y alimentar dispositivos electroquímicos y electrónicos.
El equipo probó la capacidad del material para generar electricidad sometiéndolo a movimientos corporales como correr, caminar, golpear los dedos y aplaudir. La electricidad producida durante el experimento resultó suficiente para alimentar bancos de LED, formando la palabra RPI.
“Estamos emocionados y alentados por nuestros hallazgos y su potencial para apoyar la transición a la energía verde.”
– Nikhil Koratkar, coautor del estudio
El material, según él, convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Según Koratkar:
“Cuanto mayor sea la carga de presión aplicada y mayor sea el área superficial sobre la que se aplica la presión, mayor será el efecto.”
La película de captura de energía creada por el equipo tiene solo 0,3 milímetros de grosor y puede integrarse en diversas máquinas, dispositivos y estructuras como edificios y carreteras para producir electricidad cuando vibran, o cuando los vehículos pasan sobre ellas.
Las pruebas realizadas por el equipo también demuestran que la tecnología puede ser útil de múltiples maneras, incluyendo un dispositivo que pueden llevar ciclistas o corredores que ilumina cascos o prendas para hacerlos más visibles.
Dicho esto, actualmente es solo una prueba de concepto. El equipo espera “ver eventualmente este tipo de material implementado a gran escala, donde realmente pueda marcar una diferencia en la producción de energía”, dijo Koratkar.
Ahora, en los próximos pasos, los investigadores inspeccionarán toda la familia de compuestos de perovskita de calcogenuro para encontrar un material que muestre un efecto piezoeléctrico más potente. Para ello, el equipo utilizará inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML).
“\”La producción de energía sostenible es vital para nuestro futuro,\” dijo Shekhar Garde, Ph.D., decano de la Escuela de Ingeniería de RPI, mientras aplaudía los esfuerzos del equipo de RPI en el descubrimiento de materiales que, según él, \”pueden ayudar a abordar un problema global\”.”
El Impacto Transformador de la Piezoelectricidad
La piezoelectricidad fue identificada por primera vez por Jacques y Pierre Curie en 1880, y hoy el fenómeno se utiliza ampliamente en aplicaciones del mundo real. Su capacidad para convertir directamente energía eléctrica y mecánica los hace muy atractivos para aplicaciones como dispositivos de captura de energía.
Uno de los ejemplos más comunes de piezoelectricidad son los encendedores eléctricos. Al presionar un botón, la palanca del resorte golpea cristales piezoeléctricos, y esta tensión mecánica crea una corriente eléctrica, que luego se convierte en llama para encender el gas. Puedes encontrar ejemplos de piezoelectricidad en todas partes de tu vida diaria.
Como detallamos en nuestro artículo anterior, la piezoelectricidad se ha convertido en un principio fundamental utilizado en la tecnología moderna, abarcando desde teléfonos móviles y dispositivos portátiles, sistemas de amortiguación y soluciones de limpieza hasta aeroespacial, sonar, herramientas de diagnóstico médico y actuadores.
Dada su amplio uso, se han producido varios avances en su campo. Todo comenzó con el desarrollo de la popular cerámica piezoeléctrica PZT (zirconato de plomo titanato) hace aproximadamente medio siglo y luego con el polifluoruro de vinilideno (PVDF) en 1964.
Desde entonces, los investigadores han trabajado en desarrollar nuevos materiales y tecnologías para mejorar la eficiencia y versatilidad de los dispositivos piezoeléctricos. Un enfoque importante ha sido crear alternativas ecológicas a las cerámicas basadas en plomo como la PZT, debido a la creciente preocupación por la toxicidad del plomo, como vimos en el estudio mencionado anteriormente.
Los investigadores han explorado materiales como el titanato de bario (BaTiO₃) y el niobato de potasio y sodio (KNN) para ello, los cuales ofrecen propiedades piezoeléctricas sin el impacto ambiental nocivo del plomo.
Además, los avances en materiales piezoeléctricos basados en polímeros como el PVDF y sus copolímeros han permitido su integración en textiles inteligentes, sensores e implantes médicos.
Los polímeros piezoeléctricos han sido investigados extensamente para la captura de energía debido a su flexibilidad e integridad intrínsecas, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde el dispositivo debe soportar muchas flexiones para integrarse en dispositivos portátiles.
La electrónica portátil representa la innovación de la electrónica rígida tradicional, ofreciendo soluciones revolucionarias en salud, energía, neurociencia, metaverso y sostenibilidad. El uso de la piezoelectricidad en estos dispositivos permite a las empresas reducir la necesidad de recargas frecuentes y baterías, ofreciendo a los usuarios la comodidad de un dispositivo portátil junto con una mayor seguridad.
Los desarrollos recientes en nanotecnología también han permitido la creación de materiales piezoeléctricos nanostructurados, que ofrecen un rendimiento mejorado a tamaños reducidos.
Por ejemplo, los puntos cuánticos, nanohilos y grafeno están siendo estudiados por su potencial para mejorar significativamente la sensibilidad y eficiencia de los sistemas piezoeléctricos, lo que los hace muy beneficiosos en aplicaciones como electrónica flexible y tecnologías de imagen de próxima generación.
Todas estas innovaciones en materiales piezoeléctricos han abierto nuevas posibilidades en diversas industrias, y a medida que estos avances continúan, se espera que el mercado global de materiales piezoeléctricos experimente un crecimiento significativo.
Un Crecimiento Masivo por Delante
Cuando se trata del mercado global de materiales piezoeléctricos, se espera que crezca de 1,52 mil millones de dólares en 2024 a 2,19 mil millones de dólares para 2032.
Mientras que las operaciones restringidas de industrias clave de uso final como los sectores electrónico y automotriz impactaron críticamente la demanda de materiales piezoeléctricos, la COVID-19 provocó un aumento en la demanda de equipos como oxímetros, pirómetros, termómetros electrónicos y ventiladores automáticos, que utilizan materiales piezoeléctricos para convertir una forma de energía en otra. Esto afectó la demanda de estos materiales durante la crisis, señaló el informe sobre el Mercado de Materiales Piezoeléctricos.
A nivel regional, el mercado de EE. UU., en particular, se proyecta que crezca significativamente, alcanzando un valor estimado de 248,48 mil millones de dólares en los próximos ocho años, impulsado por la creciente producción de electrónica, TI y sectores de telecomunicaciones. El extenso programa de exploración espacial del país también contribuirá a este crecimiento.
Mientras tanto, el tamaño del mercado de Asia Pacífico representa 0,99 mil millones de dólares, con una cuota de mercado del 68,28 % en 2023. Esta dominación se debe a que Asia Pacífico se está convirtiendo en un centro de fabricación de electrónica y bienes de consumo, con China, Japón, Taiwán, India y Corea del Sur enfocándose en expandir sus capacidades de producción.
Mientras que el mercado de materiales piezoeléctricos en América Latina está en sus inicios, se ha observado una creciente demanda en Oriente Medio y África debido a la expansión de la industria de salud y electrónica en la región.
En términos de aplicación, el mercado de materiales piezoeléctricos se segmenta en sensores, resonadores, generadores y transformadores, actuadores, transductores, SONAR, dispositivos acústicos, motores y otros.
Entre estos, se proyecta que la división de sensores se expanda a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) sustancial debido a la aplicación de la tecnología en múltiples campos, incluidos la electrónica de consumo, líneas de fabricación y vehículos automáticos.
Mientras tanto, los actuadores, que convierten señales eléctricas enviadas por el sistema en energía mecánica para el control con el fin de realizar una acción específica, se espera que representen la mayor cuota del mercado de materiales piezoeléctricos, impulsados por su aplicación en brazos robóticos, control de precisión de herramientas de mecanizado industrial y sistemas de frenado y aceleración de vehículos.
Los bienes de consumo como microondas, televisores, lavadoras y juguetes a control remoto, que utilizan materiales piezoeléctricos para controlar y operar estos productos, se espera que mantengan su liderazgo en el mercado global. Detrás se encuentra la industria automotriz, que se proyecta que crezca a un CAGR estable.
Empresas que Utilizan Tecnologías Piezoeléctricas
Ahora, en lo que respecta a las empresas que impulsan este campo, tenemos a USound, cuyos altavoces MEMS utilizan el efecto piezoeléctrico, y a Noliac, que desarrolla actuadores, generadores y transformadores piezoeléctricos.
Kinetic Ceramics es otra más cuya especialidad incluye actuadores piezoeléctricos, válvulas piezoeléctricas, bombas de estado sólido, mecanizado de precisión, sistemas inteligentes y sistemas de control de movimiento.
Amphenol Corporation’s Piezo Technologies (APH ) también se especializa en materiales cerámicos piezoeléctricos y transductores ultrasónicos. Sus productos también incluyen dispositivos, ensamblajes y sistemas que se utilizan en aeroespacial, defensa, automotriz, transporte e ingeniería civil.
CTS Corporation (CTS ) fabrica productos piezoeléctricos en los sectores de tecnología médica, aeroespacial e industrial. Las acciones de la empresa, con una capitalización de mercado de 1,43 mil millones de dólares, se cotizan actualmente a 47,21 $, con un aumento del 7,93 % en lo que va del año (YTD). Tiene un EPS (TTM) de 1,77 y un P/E (TTM) de 26,66, mientras paga un rendimiento de dividendo del 0,34 %.
CTS Gráfico de precios
L3Harris Technologies
Esta empresa ofrece soluciones tecnológicas de extremo a extremo que conectan los dominios del aire, espacio, tierra, mar y ciberespacio. También diseña formas cerámicas piezoeléctricas para diversas aplicaciones en los campos del sonar militar y acústica, imágenes médicas, terapia contra el cáncer y captura de energía. L3Harris cuenta con más de 70 años de experiencia en ciencia de materiales formulando cerámicos piezoeléctricos de alto rendimiento, incluidos los materiales PZT, PT y PMN para clientes tanto militares como comerciales.
Las formulaciones de polvo cerámico piezoeléctrico de la empresa son uniformes, de alto rendimiento, granulado fino y alta densidad, lo que las hace adecuadas para una amplia gama de usos, incluidos transductores y materiales altamente personalizados que respaldan el tratamiento del cáncer, la administración de fármacos, la imaginería y el cuidado de heridas. Los cerámicos piezoeléctricos de L3Harris capturan energía de la presión o vibración que de otro modo se desperdiciaría, ayudando así a reducir la dependencia de baterías al proporcionar energía para redes de sensores inalámbricos.
LHX Gráfico de precios
Al momento de redactar este artículo, las acciones de LHX se cotizan a 248,15 $, con un aumento del 17,82 % este año, lo que sitúa su capitalización de mercado en 47 mil millones de dólares. Con ello, el EPS (TTM) de la empresa es 6,25 y su P/E (TTM) es 39,72, mientras paga un rendimiento de dividendo del 1,87 %. Aunque L3Harris Technologies (LHX ) publicará sus resultados financieros del tercer trimestre de 2024 en los próximos días, para el segundo trimestre de 2024, la compañía informó un ingreso de 4,5 mil millones de dólares, un aumento del 13 %, mientras que su margen operativo fue del 9 %.
“Entregamos otro trimestre sólido de resultados financieros con márgenes mejorados, reflejando nuestro compromiso con la excelencia operativa y un enfoque incansable en la ejecución que brinda valor a nuestros clientes y accionistas.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Conclusión
Desde luces de calle alimentadas por el tráfico hasta pisos capaces de suministrar energía a la iluminación del edificio y neumáticos que cargan un vehículo, los materiales piezoeléctricos tienen el potencial de revolucionar el sector de energía limpia. Sin embargo, incluso estos materiales no están exentos de desafíos, de ahí el desarrollo de materiales piezoeléctricos libres de plomo.
Estos nuevos materiales, como las perovskitas de calcogenuro, representan un avance significativo en las tecnologías de captura de energía sostenible. Con su baja toxicidad, alta estabilidad y respuesta piezoeléctrica mejorada bajo tensión, pueden ayudar a materializar verdaderamente el potencial de los materiales piezoeléctricos y revolucionar la generación de energía. Y a medida que los investigadores continúan explorando estos nuevos materiales mediante el uso de IA, este campo puede allanar el camino para innovaciones en dispositivos biomédicos, infraestructura y tecnología portátil de manera sostenible.
