Materiaalitiede
Piezoelektriset polymerit – Hyödyntäminen värähtelyistä ja rakenteellisista rasituksista ilmaiseen energiaan
Tutkijaryhmä on luonut polymeerikalvon, joka on täytetty kalsogeenisella perovskiittiyhdisteellä ja tuottaa sähköä rasituksessa. Tämä ilmiö tunnetaan piezoelektrisenä vaikutuksena, joka on yksinkertaisesti joidenkin materiaalien kyky tuottaa sähkövaraus mekaanisen rasituksen kohdatessa.
Piezoelektrinen vaikutus esiintyy materiaaleissa, joilla ei ole kiteistä rakenteellista symmetriaa. Kiteitä, keraamisia, polymeerejä ja biologista materiaalia, kuten luuta, DNA:ta ja erilaisia proteiineja, pidetään erilaisina piezoelektrisinä materiaaleina.
Tällaisilla materiaaleilla on potentiaalia kerätä mekaanisiin värähtelyihin liittyvää energiaa. Paras asia tässä energiamuodossa on, että se on läsnä kaikkialla ympärillämme runsaana ja on uusiutuvaa luonteeltaan.
Kuitenkin, kuten viimeisimmät tutkimusmuistiot osoittavat, parhaimmin toimivat piezoelektriset materiaalit sisältävät usein kemiallista alkiota lyijyä (Pb), joka voi aiheuttaa syöpää, lisätä aivokasvainten riskiä ja haitata DNA:n korjausta.
Lyijyä sisältävät materiaalit ovat vaarallisia, ja sääntelijät ovat rajoittaneet niiden käyttöä ympäristön suojelemiseksi.
Ottaen huomioon lyijyn myrkyllisyyden, joka on raskas, muovautuva, luonnossa esiintyvä metalli, jonka sulamispiste on suhteellisen alhainen, sitä poistetaan yhä enemmän materiaaleista ja laitteista.
Siksi tiimin tavoitteena oli luoda materiaali, joka on lyijytön ja jonka voi valmistaa edullisesti käyttäen luonnossa yleisesti esiintyviä alkuaineita.
Niinpä Rensselaerin polyteknisen instituutin (RPI) tiimi käytti materiaalia, joka ei ainoastaan sisällä lyijyä, vaan on myös yksi harvoista korkeita suorituskykyä omaavista. Siksi se on erinomainen ehdokas biolääketieteellisiin sovelluksiin, koneisiin ja infrastruktuuriin.
Tiimin käyttämä lyijytön materiaali kuuluu kalsogeenisten perovskiittien perheeseen, joka osoittaa piezoelektrisyyttä. Tutkimuksessa käytetty koostumus oli BaZrS3, jonka on raportoitu omaavan voimakkaan piezoelektrisen vasteen.
Kalsogeeniset perovskiitit ovat viime aikoina saaneet paljon huomiota ja edistystä. Tämä yhdisteperhe liittyy perovskiittirakenteisiin, joilla on monia suotuisia ominaisuuksia, kuten alhainen myrkyllisyys, korkea stabiilisuus, suorat energiakaistat, hyvät kantajansiirtokyvyt ja vahva valon absorptio.
Nämä ominaisuudet saavat perovskiitit erottumaan erityisesti sovelluksissa kuten fotovoltaiset, valodetektorit, valoa säteilevät laitteet ja fotokatalyytit.
Mielenkiintoista on, että suurin osa korkeita suorituskykyä omaavista piezoelektrisistä materiaaleista on ei-centrösymmetrisiä ja siten omaa sisäisesti korkean polarisoituvuuden. Kuitenkin monet oksidi-perovskiitit, mukaan lukien tutkimuksessa käytetty, omaavat keskusymmetrisen kiteisen rakenteen, joka on heikosti piezoelektrinen alkuperäisessä muodossaan. Nämä yhdisteet ovat itse asiassa ei-polarisia, koska niiltä puuttuu periaatteessa nettodipolimomentti.
Dipolimomentti on tieteellinen termi sille, miten piezoelektriset materiaalit toimivat rasituksen alaisina, eli muodonmuutokselle, joka saa positiiviset ja negatiiviset ionit materiaalissa erottumaan. Tämä dipolimomentti voidaan hyödyntää ja muuntaa sähkövirraksi.
Mutta ilman nettodipolimomenttia, miten tiimi saavutti piezoelektrisyyden? He hyödynsivät kalsogeenisen perovskiitin rakenteen löysää pakkausta ongelman ratkaisemiseksi.
Teknologian skaalaaminen vihreisiin energiasovelluksiin
Viimeisin tutkimus tarkastelee, että vaikka ne ovat keskusymmetrisiä, lyijyttömät kalsogeeniset perovskiittimateriaalit polarisoituvat erittäin nopeasti muodonmuutoksessa. Tämä johtuu löyhästi pakatusta yksikkökiteestä, jossa on paljon tyhjää tilaa.
Tämä merkittävä määrä tyhjää tilaa mahdollistaa ionien laajennetun siirtymisen, mikä puolestaan vähentää symmetriaa ja johtaa vahvistettuun siirtymään perustuvaan dipolimomenttiin.
Tiimi suoritti piezoresponssivoiman mikroskopian (PFM) BaZrS3:lla vahvistaakseen materiaalin piezoelektrisyyden.
PFM on toiminnallinen atomivoiman mikroskopia (AFM) -malli, joka on tunnustettu ainutlaatuisesta tiedosta, jonka se tarjoaa eri materiaalien elektromekaanisista ominaisuuksista nanometrin mittakaavassa.
Kalsogeenisen perovskiittimateriaalin rakenteellinen symmetria, tiimin mukaan, voidaan helposti rikkoa rasituksen alla, mikä johtaa parantuneeseen piezoelektriseen vasteeseen. Kun tämä on vahvistettu, tiimi kehitti BaZrS3-hiukkasia hajautettuna polykaprolaktaasiin.
Uudessa synteesissä syntynyt materiaali sisältää bariumia, zirkoniumia ja rikkiä, joita käytettiin ihmisen kehon liikkeestä energian keräämiseen sekä elektrokemiallisten ja elektronisten laitteiden virran tuottamiseen.
Tiimi testasi materiaalin kykyä tuottaa sähköä altistamalla sen kehon liikkeille, kuten juoksulle, kävelylle, sormien naputtelulle ja taputukselle. Kokeessa tuotettu sähkö riitti LED-pankkien virransyöttöön, jotka muodostivat kirjaimet RPI.
“Olemme innoissamme ja rohkaistuneita löydöistämme ja niiden potentiaalista tukea siirtymää kohti vihreää energiaa.”
– Nikhil Koratkar, tutkimuksen yhteiskirjoittaja
Materiaalin, hänen mukaansa, muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi. Koratkarin mukaan:
“Mitä suurempi on kohdistettu painekuorma ja mitä laajempi on paineen kohdistamisalue, sitä suurempi on vaikutus.”
Tiimin luoma energiankeräyskalvo on vain 0,3 millimetriä paksu ja sen voidaan integroida erilaisiin koneisiin, laitteisiin ja rakenteisiin, kuten rakennuksiin ja teille, tuottamaan sähköä, kun ne värähtelevät tai ajoneuvot kulkevat niiden yli.
Tiimin suorittamat testit osoittavat myös, että teknologia voi olla hyödyllinen monin tavoin, muun muassa pyöräilijöiden tai juoksijoiden käyttämässä laitteessa, joka valaisee kypärät tai merkit tekee heistä näkyvämpiä.
Tästä huolimatta se on tällä hetkellä vain konseptin todistus. Tiimi toivoo, että “lopulta näkee tämän tyyppisen materiaalin toteutettavan mittakaavassa, jossa se voi todella vaikuttaa energian tuotantoon,” Koratkar sanoi.
Seuraavissa vaiheissa tutkijat tarkastelevat koko kalsogeenisten perovskiittiyhdisteiden perhettä löytääkseen materiaalin, joka osoittaa voimakkaamman piezoelektrisen vaikutuksen. Tätä varten tiimi hyödyntää tekoälyä (AI) ja koneoppimista (ML).
“Kestävä energian tuotanto on elintärkeää tulevaisuudellemme,” sanoi Shekhar Garde, tohtori, RPI:n insinööriakatemian dekaani, kiittäen RPI-tiimin ponnisteluja materiaalien löytämisessä, joiden hän mukaan “voivat auttaa ratkaisemaan globaalin ongelman”.
Piezoelektrisyyden mullistava vaikutus
Piezoelektrisyyden tunnistivat ensimmäisen kerran Jacques ja Pierre Curie vuonna 1880, ja nykyään ilmiötä hyödynnetään laajasti todellisissa sovelluksissa. Sen kyky muuntaa suoraan sähkö- ja mekaanista energiaa tekee siitä erittäin houkuttelevan energiankeräyslaitteiden kaltaisissa sovelluksissa.
Yksi yleisimmistä piezoelektrisyyden esimerkeistä on sähkösytytin. Kun painat nappia, jousen vipu osuu piezoelektrisiin kiteisiin, ja tämä mekaaninen rasitus luo sähkövirran, joka syttyy liekiksi sytyttääkseen kaasun. Piezoelektrisyyden esimerkkejä löytyy kaikkialta arjessa.
Kuten olemme aiemmassa artikkelissamme tarkentaneet, piezoelektrisyys on itse asiassa muodostunut perustavaksi periaatteeksi, jota hyödynnetään nykyaikaisessa teknologiassa, aina matkapuhelimista ja puettavista laitteista, vaimennusjärjestelmiin ja puhdistusratkaisuihin, avaruustekniikkaan, sonariin, terveydenhuollon diagnostiikkatyökaluihin ja toimilaitteisiin.
Laajan käytön vuoksi alalla on tapahtunut useita edistysaskeleita. Kaikki alkoi suositun piezoelektrisen keraamisen PZT:n (lyijy‑zirkoniittititaani) kehittämisestä noin puoli vuosisataa sitten, ja sen jälkeen polyvinyylideenifluorin (PVDF) vuonna 1964.
Siitä lähtien tutkijat ovat kehittäneet uusia materiaaleja ja teknologioita parantaakseen piezoelektristen laitteiden tehokkuutta ja monipuolisuutta. Yksi merkittävä painopiste on ollut ympäristöystävällisten vaihtoehtojen luominen lyijypohjaisille keraameille, kuten PZT:lle, johtuen kasvavista huolista lyijyn myrkyllisyyteen, kuten yllä mainitussa tutkimuksessa nähtiin.
Tutkijat ovat tutkineet materiaaleja, kuten bariumtitanaattia (BaTiO₃) ja kalium‑natrium‑niobatiaattia (KNN), jotka tarjoavat piezoelektrisiä ominaisuuksia ilman lyijyn haitallista ympäristövaikutusta.
Lisäksi polymeripohjaisten piezoelektristen materiaalien, kuten PVDF:n ja sen kopolymeerien, edistysaskeleet ovat mahdollistaneet niiden integroinnin älytekstiileihin, antureihin ja lääketieteellisiin implanteihin.
Piezoelektrisiä polymeerejä on tutkittu laajasti energian keräämiseen niiden sisäisen joustavuuden ja mukautuvuuden vuoksi, mikä tekee niistä sopivia sovelluksiin, joissa laite joutuu taivutumaan paljon integroituna puettaviin laitteisiin.
Puettavat elektroniikat edustavat perinteisten jäykkien elektroniikkojen innovaatiota, tarjoten mullistavia ratkaisuja terveydenhuollossa, energiassa, neurotieteessä, metaversumissa ja kestävyydessä. Piezoelektrisyyden käyttö näissä laitteissa mahdollistaa yrityksille tarve vähentää jatkuvaa lataamista ja akkuja, tarjoten käyttäjille kätevän kannettavan laitteen sekä parannetun turvallisuuden.
Viimeaikaiset nanoteknologian kehitykset ovat mahdollistaneet nanorakenteisten piezoelektristen materiaalien luomisen, jotka tarjoavat parannettua suorituskykyä pienemmillä kokoilla.
Esimerkiksi kvanttipisteitä, nanoköysiä ja graafia tutkitaan niiden potentiaalin vuoksi merkittävästi parantaa piezoelektristen järjestelmien herkkyyttä ja tehokkuutta, mikä tekee niistä erittäin hyödyllisiä sovelluksissa kuten joustavassa elektroniikassa ja seuraavan sukupolven kuvantamisteknologioissa.
Kaikki nämä innovaatiot piezoelektrisissä materiaaleissa ovat avanneet uusia mahdollisuuksia eri teollisuudenaloilla, ja kun nämä edistysaskeleet jatkuvat, globaali piezoelektristen materiaalien markkina on odotettavissa merkittävän kasvun.
Massiivinen kasvu edessä
Kun tarkastellaan globaalia piezoelektristen materiaalien markkinaa, sen odotetaan kasvavan 1,52 miljardista dollarista vuonna 2024 2,19 miljardiin dollariin vuoteen 2032 mennessä.
Vaikka keskeisten loppukäyttöteollisuuksien, kuten elektroniikka- ja autoteollisuuden, rajoitetut toiminnot vaikuttivat kriittisesti piezoelektristen materiaalien kysyntään, COVID-19 aiheutti kysynnän piikin laitteille, kuten oksimetreille, pyrometreille, elektronisille lämpömittareille ja automatisoiduille ventilaatioille, jotka hyödyntävät piezo‑materiaaleja energian muuntamiseen. Tämä puolestaan vaikutti näiden materiaalien kysyntään kriisin aikana, kuten raportti toteaa.
Alueellisesti Yhdysvaltain markkinat, erityisesti, odotetaan kasvavan merkittävästi, saavuttaen arvioidun arvon 248,48 miljardia dollaria seuraavan kahdeksan vuoden aikana, mikä johtuu elektroniikan, IT- ja telekommunikaatioalan kasvavasta tuotannosta. Maan laaja avaruustutkimusohjelma myös edistää tätä kasvua.
Sillä välin Aasian ja Tyynenmeren markkinoiden koko on 0,99 miljardia dollaria, mikä kattaa 68,28 % markkinaosuudesta vuonna 2023. Tämä hallitsevuus johtuu siitä, että Aasia‑Tyynenmeren alue nousee elektroniikan ja kulutustavaroiden valmistuskeskukseksi, ja Kiina, Japani, Taiwan, Intia ja Etelä‑Korea keskittyvät laajentamaan tuotantokapasiteettejaan.
Vaikka piezoelektristen materiaalien markkinat Latinalaisessa Amerikassa ovat alkuvaiheessa, kasvavaa kysyntää on havaittu Lähi‑idässä ja Afrikassa alueen laajenevan terveydenhuolto‑ ja elektroniikkateollisuuden vuoksi.
Sovellusten osalta piezoelektrinen materiaalimarkkina on segmentoitunut antureihin, resonansseihin, generaattoreihin & muuntajiin, toimilaitteisiin, transduktoreihin, SONARiin, akustisiin laitteisiin, moottoreihin ja muihin.
Näistä anturiosasto odotetaan laajenevan merkittävällä CAGR:lla teknologian sovellusten vuoksi useilla aloilla, mukaan lukien kuluttajaelektroniikka, valmistuslinjat ja autonomiset ajoneuvot.
Sillä välin toimilaitteet, jotka muuntavat järjestelmän lähettämät sähköiset signaalit mekaaniseksi energiaksi ohjaukseen tietyn toiminnon suorittamiseksi, odotetaan muodostavan suurimman osan piezoelektristen materiaalien markkinaosuudesta, mikä johtuu niiden sovelluksista robottikäsissä, teollisten työstölaitteiden tarkassa ohjauksessa sekä ajoneuvojen jarrutus‑ ja kiihdytysjärjestelmissä.
Kulutustavarat, kuten mikroaaltouunit, televisiot, pesukoneet ja kauko‑ohjattavat lelut, jotka käyttävät piezo‑materiaaleja näiden tuotteiden ohjaamiseen ja toimintaan, odotetaan säilyttävän johtonsa globaalilla markkinalla. Jäljessä on autoteollisuus, jonka odotetaan kasvavan vakaalla CAGR:lla.
Piezoelektrisiä teknologioita hyödyntävät yritykset
Kun tarkastellaan tätä alaa edistäviä yrityksiä, meillä on USound, jonka MEMS‑kaiuttimet hyödyntävät piezoelektristä vaikutusta, sekä Noliac, joka kehittää piezo‑toimilaitteita, generaattoreita ja muuntajia.
Kinetic Ceramics on vielä yksi, jonka erikoisosaamista ovat piezoelektriset toimilaitteet, piezoelektriset venttiilit, kiinteän tilan pumpit, tarkka koneistus, älykkäät järjestelmät ja liikkeen ohjausjärjestelmät.
Amphenol Corporationin Piezo Technologies (APH ) on myös erikoistunut piezoelektrisiin keraamisiin materiaaleihin ja ultraäänitransduktoreihin. Sen tuotteisiin kuuluvat myös laitteet, kokoonpanot ja järjestelmät, joita käytetään avaruustekniikassa, puolustuksessa, autoteollisuudessa, liikenteessä ja siviilirakentamisessa.
CTS Corporation (CTS ) valmistaa piezoelektrisiä tuotteita med‑teknologia-, avaruus- ja teollisuussektoreilla. Yrityksen 1,43 miljardin dollarin markkina‑arvo on tällä hetkellä 47,21 dollaria, nousussa 7,93 % kuluvan vuoden alusta (YTD). Sen EPS (TTM) on 1,77 ja P/E (TTM) 26,66, ja se maksaa osinkotuoton 0,34 %.
(CTS )
L3Harris Technologies (LHX )
Tämä yritys tarjoaa kokonaisvaltaisia teknologiratkaisuja, jotka yhdistävät ilmaa, avaruutta, maata, merta ja kyberavaruuden. Se myös suunnittelee piezoelektrisiä keraamisia muotoja erilaisiin sovelluksiin, kuten sotilassonariin ja akustiikkaan, lääketieteelliseen kuvantamiseen, syöpähoitoihin ja energian keräämiseen. L3Harrisilla on yli 70 vuoden materiaalitieteen asiantuntemus korkean suorituskyvyn piezoelektristen keraamisten, kuten PZT-, PT- ja PMN-materiaalien, kehittämisessä sekä sotilas- että kaupallisille asiakkaille.
Yrityksen piezoelektriset keraamiset jauheformuloinnit ovat tasaisia, korkean suorituskyvyn omaavia, hienorakeisia ja tiheitä, mikä tekee niistä sopivia laajaan käyttöalueeseen, mukaan lukien transduktorit ja erittäin räätälöidyt materiaalit, jotka tukevat syöpähoitoja, lääkkeiden jakelua, kuvantamista ja haavanhoitoa. L3Harrisin piezoelektriset keraamit keräävät energiaa paineesta tai värähtelystä, joka muuten menisi hukkaan, ja näin auttavat vähentämään akkujen riippuvuutta tarjoamalla virtaa langattomille anturiverkoille.
(LHX )
Kirjoitushetkellä LHX‑osakkeet ovat kaupankäynnissä 248,15 dollaria, nousussa 17,82 % tänä vuonna, mikä asettaa sen markkina‑arvoksi 47 miljardia dollaria. Tämän myötä yrityksen EPS (TTM) on 6,25 ja P/E (TTM) 39,72, ja se maksaa osinkotuoton 1,87 %. Vaikka L3Harris Technologies julkaisee Q3‑2024‑tuloksensa lähiviikkoina, 2Q24‑tuloksena yritys raportoi liikevaihdoksi 4,5 miljardia dollaria, 13 %:n kasvun, ja sen operatiivinen kate oli 9 %.
“Toimitimme jälleen vahvan talouskvartaalin tuloksia parantuneilla marginaaleilla, mikä heijastaa sitoutumistamme operatiiviseen erinomaisuuteen ja sinnikkääseen toteutukseen, joka tuo arvoa asiakkaillemme ja osakkeenomistajille.”
– Toimitusjohtaja Christopher E. Kubasik
Yhteenveto
Liikenteen valaisemista katuvaloista lattioihin, jotka pystyvät virvoittamaan rakennuksen valaistuksen, ja renkaisiin, jotka lataavat ajoneuvoa, piezoelektrisillä materiaaleilla on potentiaalia mullistaa puhtaan energian sektoria. Kuitenkin nämäkin materiaalit kohtaavat haasteita, minkä vuoksi lyijyttömien piezoelektristen materiaalien kehittäminen on tärkeää.
Nämä uudet materiaalit, kuten kalsogeeniset perovskiitit, merkitsevät merkittävää edistysaskelta kestävissä energiankeräysteknologioissa. Alhaisen myrkyllisyyden, korkean stabiilisuuden ja parantuneen piezoelektrisen vasteen ansiosta rasituksessa ne voivat todella toteuttaa piezoelektristen materiaalien potentiaalin ja mullistaa energian tuotannon. Ja kun tutkijat jatkavat näiden uusien materiaalien tutkimista hyödyntäen tekoälyä, ala voi raivata tietä innovaatioille biolääketieteellisissä laitteissa, infrastruktuurissa ja puettavassa teknologiassa kestävällä tavalla.
