Science des matériaux
Polymères piézoélectriques – Exploiter les vibrations et les contraintes structurelles pour une énergie gratuite
Ajouter Securities.io à vos sources préférées sur Google
Une équipe de chercheurs a créé un film polymère rempli d’un composé pérovskite chalcogénide qui génère de l’électricité lorsqu’il est soumis à une contrainte. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet piézoélectrique, qui est simplement la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée.
L’effet piézoélectrique se produit dans les matériaux qui manquent de symétrie structurale cristalline. Les cristaux, céramiques, polymères et matières biologiques telles que les os, l’ADN et diverses protéines sont différents types de matériaux piézoélectriques.
Ces matériaux ont le potentiel de collecter l’énergie liée aux vibrations mécaniques. Le meilleur aspect de cette forme d’énergie est qu’elle est présente partout autour de nous en abondance et qu’elle est renouvelable par nature.
Cependant, comme le soulignent les notes de recherche, les matériaux piézoélectriques les plus performants ont tendance à contenir l’élément chimique plomb (Pb), qui peut provoquer le cancer, augmenter le risque de tumeurs cérébrales et entraver la réparation de l’ADN.
Les matériaux contenant du plomb sont dangereux, et les régulateurs ont limité leur utilisation afin de protéger l’environnement.
Compte tenu de la toxicité du plomb, qui est un métal lourd, malléable, naturellement présent et doté d’un point de fusion relativement bas, il est progressivement éliminé des matériaux et des dispositifs.
Ainsi, l’objectif de l’équipe était de créer un matériau sans plomb et pouvant être fabriqué à moindre coût à partir d’éléments couramment présents dans la nature.
Donc, l’équipe du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) a utilisé un matériau qui non seulement ne contient pas de plomb mais est également l’un des rares à hautes performances. Par conséquent, il constitue un excellent candidat pour les applications biomédicales, les machines et les infrastructures.
Le matériau sans plomb utilisé par l’équipe appartient à la famille des pérovskites chalcogénides présentant une piézoélectricité. Le BaZrS3 était la composition utilisée dans l’étude, qui aurait une réponse piézoélectrique prononcée.
Les pérovskites chalcogénides ont récemment suscité beaucoup d’attention et de progrès. Cette famille de composés est liée aux structures pérovskites, qui possèdent de nombreuses propriétés favorables telles qu’une faible toxicité, une haute stabilité, des bandes interdites directes, de bonnes capacités de transport de porteurs et une forte absorption de la lumière.
Ces propriétés font que les pérovskites se démarquent vraiment dans des applications comme les photovoltaïques, les photodétecteurs, les dispositifs d’émission de lumière et les photocatalyseurs.
Il est intéressant de noter que la plupart des matériaux piézoélectriques à haute performance sont non centro-symétriques et affichent donc une polarisation intrinsèquement élevée. Cependant, de nombreuses pérovskites oxydes, y compris celle utilisée dans l’étude, présentent une structure cristalline centro-symétrique, qui est faiblement piézoélectrique sous sa forme pure. Ces composés sont en réalité non polaires parce qu’ils manquent intrinsèquement d’un moment dipolaire net.
Le moment dipolaire est le terme scientifique désignant la façon dont les matériaux piézoélectriques se comportent sous contrainte, c’est‑à‑dire une déformation qui provoque la séparation des ions positifs et négatifs dans le matériau. Ce moment dipolaire peut être exploité et transformé en courant électrique.
Mais sans moment dipolaire net, comment l’équipe a‑t‑elle obtenu la piézoélectricité ? Eh bien, ils ont tiré parti du empaquetage lâche au sein de la structure pérovskite chalcogénide pour surmonter le problème.
Échelle de la technologie pour les applications d’énergie verte
La dernière étude détaille que, malgré leur centro‑symétrie, les matériaux pérovskites chalcogénides sans plomb deviennent rapidement polarisables lorsqu’ils sont déformés. Cela est dû à une cellule unité peu compacte, qui possède beaucoup d’espace vacant.
Ce volume important d’espace vide permet un déplacement étendu des ions, ce qui, à son tour, réduit la symétrie et entraîne une amplification du moment dipolaire médié par le déplacement.
L’équipe a réalisé une microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) sur le BaZrS3 afin de confirmer la piézoélectricité du matériau.
La PFM est un modèle fonctionnel de microscopie à force atomique (AFM) reconnu pour les informations uniques qu’elle offre sur les propriétés électromécaniques de divers matériaux à l’échelle nanométrique.
Selon l’équipe, la symétrie structurelle du matériau pérovskite chalcogénide peut être facilement rompue sous contrainte, ce qui conduit à une réponse piézoélectrique améliorée. Ainsi, une fois confirmée, l’équipe a développé des composites de particules de BaZrS3 dispersées dans du polycaprolactone.
Le nouveau matériau synthétisé contient du baryum, du zirconium et du soufre, qui ont ensuite été utilisés pour récolter l’énergie provenant des mouvements du corps humain et alimenter des dispositifs électrochimiques et électroniques.
L’équipe a testé la capacité du matériau à générer de l’électricité en le soumettant à des mouvements corporels tels que la course, la marche, le tapotement des doigts et les applaudissements. L’électricité produite lors de l’expérience s’est avérée suffisante pour alimenter des banques de LED, affichant le sigle RPI.
“Nous sommes enthousiastes et encouragés par nos découvertes et par leur potentiel à soutenir la transition vers une énergie verte.”
– Nikhil Koratkar, co‑auteur de l’étude
Le matériau, selon lui, convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Selon Koratkar :
“Plus la charge de pression appliquée est importante et plus la surface sur laquelle la pression est exercée est grande, plus l’effet est prononcé.”
Le film de récupération d’énergie créé par l’équipe ne mesure que 0,3 mm d’épaisseur et peut être intégré à diverses machines, dispositifs et structures comme les bâtiments et les autoroutes afin de produire de l’électricité lorsqu’ils vibrent ou que des véhicules les traversent.
Les tests menés par l’équipe montrent également que la technologie peut être utile de multiples façons, notamment dans un dispositif porté par les cyclistes ou les coureurs qui éclaire les casques ou les rend plus visibles.
Cela dit, il ne s’agit actuellement que d’une preuve de concept. L’équipe espère « voir finalement ce type de matériau mis en œuvre à grande échelle, où il pourra réellement faire une différence dans la production d’énergie », a déclaré Koratkar.
Dans les prochaines étapes, les chercheurs examineront l’ensemble de la famille des composés pérovskites chalcogénides afin de trouver un matériau affichant un effet piézoélectrique plus puissant. Pour cela, l’équipe utilisera l’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage automatique (ML).
« La production d’énergie durable est vitale pour notre avenir », a déclaré le Dr Shekhar Garde, doyen de la School of Engineering du RPI, tout en saluant les efforts de l’équipe du RPI dans la découverte de matériaux qu’il estime « pouvoir aider à résoudre un problème mondial ».
L’impact transformateur de la piézoélectricité
La piézoélectricité a été identifiée pour la première fois par Jacques et Pierre Curie en 1880, et aujourd’hui, le phénomène est largement utilisé dans des applications réelles. Leur capacité à convertir directement l’énergie électrique et mécanique les rend très attractifs pour des dispositifs de récupération d’énergie.
Un des exemples les plus courants de piézoélectricité est le briquet électrique. En appuyant sur un bouton, le levier du ressort frappe des cristaux piézoélectriques, et cette contrainte mécanique crée un courant électrique, qui se transforme ensuite en flamme pour enflammer le gaz. Vous pouvez trouver des exemples de piézoélectricité partout dans votre quotidien.
Comme nous l’avons détaillé dans notre article précédent, la piézoélectricité est devenue un principe fondamental utilisé dans la technologie moderne, allant des téléphones portables et appareils portables, aux systèmes d’amortissement et solutions de nettoyage, jusqu’à l’aérospatiale, le sonar, les outils de diagnostic médical et les actionneurs.
Compte tenu de son utilisation massive, plusieurs avancées ont eu lieu dans ce domaine. Tout a commencé avec le développement de la céramique piézoélectrique populaire PZT (zirconate de titane au plomb) il y a environ un demi‑siècle, puis du polyfluorure de vinylidène (PVDF) en 1964.
Depuis, les chercheurs travaillent à développer de nouveaux matériaux et technologies afin d’améliorer l’efficacité et la polyvalence des dispositifs piézoélectriques. Un axe majeur a été la création d’alternatives respectueuses de l’environnement aux céramiques à base de plomb comme le PZT, en raison des préoccupations croissantes concernant la toxicité du plomb, comme nous l’avons vu dans l’étude mentionnée ci‑dessus.
Les chercheurs ont exploré des matériaux tels que le titanate de baryum (BaTiO₃) et le niobate de potassium sodium (KNN), qui offrent des propriétés piézoélectriques sans l’impact environnemental nocif du plomb.
De plus, les avancées dans les matériaux piézoélectriques à base de polymères comme le PVDF et ses copolymères ont permis leur intégration dans les textiles intelligents, les capteurs et les implants médicaux.
Les polymères piézoélectriques ont été largement étudiés pour la récupération d’énergie en raison de leur flexibilité et conformité intrinsèques, ce qui les rend adaptés aux applications où le dispositif doit subir de nombreux pliages pour être intégré aux appareils portables.
Les électroniques portables représentent l’innovation des électroniques rigides traditionnelles, offrant des solutions révolutionnaires dans la santé, l’énergie, les neurosciences, le métavers et la durabilité. L’utilisation de la piézoélectricité dans ces appareils permet aux entreprises de réduire le besoin de recharges fréquentes et de batteries, offrant aux utilisateurs la commodité d’un dispositif portable avec une sécurité accrue.
Les développements récents en nanotechnologie ont également permis la création de matériaux piézoélectriques nanostructurés, qui offrent des performances améliorées à des tailles réduites.
Par exemple, les points quantiques, nanofils et le graphène sont étudiés pour leur potentiel à améliorer significativement la sensibilité et l’efficacité des systèmes piézoélectriques, ce qui les rend très bénéfiques dans des applications comme l’électronique flexible et les technologies d’imagerie de prochaine génération.
Toutes ces innovations dans les matériaux piézoélectriques ont ouvert de nouvelles possibilités dans diverses industries, et à mesure que ces avancées se poursuivent, le marché mondial des matériaux piézoélectriques devrait connaître une croissance significative.
Une croissance massive à l’horizon
En ce qui concerne le marché mondial des matériaux piézoélectriques, on prévoit qu’il passera de 1,52 milliard de dollars en 2024 à 2,19 milliards de dollars d’ici 2032.
Alors que les opérations restreintes des industries essentielles telles que l’électronique et l’automobile ont fortement impacté la demande de matériaux piézoélectriques, la COVID‑19 a entraîné une hausse de la demande d’équipements tels que les oxymètres, pyromètres, thermomètres électroniques et ventilateurs automatisés, qui utilisent des matériaux piézoélectriques pour convertir une forme d’énergie en une autre. Cela a alors affecté la demande pour ces matériaux pendant la crise, selon le rapport sur le marché des matériaux piézoélectriques.
Au niveau régional, le marché américain, en particulier, devrait connaître une croissance importante, atteignant une valeur estimée à 248,48 milliards de dollars au cours des huit prochaines années, stimulée par la production croissante d’électronique, d’informatique et de télécommunications. Le vaste programme d’exploration spatiale du pays contribuera également à cette croissance.
Parallèlement, la taille du marché Asie‑Pacifique représente 0,99 milliard de dollars, avec une part de marché de 68,28 % en 2023. Cette domination s’explique par le fait que l’Asie‑Pacifique émerge comme un centre de fabrication d’électronique et de biens de consommation, la Chine, le Japon, Taïwan, l’Inde et la Corée du Sud se concentrant sur l’expansion de leurs capacités de production.
Alors que le marché des matériaux piézoélectriques en Amérique latine en est à ses débuts, une demande croissante a été observée au Moyen‑Orient et en Afrique en raison de l’expansion des industries de la santé et de l’électronique dans ces régions.
En termes d’applications, le marché des matériaux piézoélectriques est segmenté en capteurs, résonateurs, générateurs & transformateurs, actionneurs, transducteurs, SONAR, dispositifs acoustiques, moteurs et autres.
Parmi ceux‑ci, la division capteurs devrait connaître une expansion substantielle grâce à l’application de la technologie dans de nombreux domaines, notamment l’électronique grand public, les lignes de production et les véhicules autonomes.
Parallèlement, les actionneurs, qui convertissent les signaux électriques du système en énergie mécanique pour le contrôle afin d’exécuter une action spécifique, devraient représenter la plus grande part du marché des matériaux piézoélectriques, stimulés par leur utilisation dans les bras robotiques, le contrôle de précision des outils d’usinage industriels et les systèmes de freinage et d’accélération des véhicules.
Les biens de consommation tels que les micro‑ondes, téléviseurs, machines à laver et jouets télécommandés, qui utilisent des matériaux piézoélectriques pour contrôler et faire fonctionner ces produits, devraient maintenir leur position de leader sur le marché mondial. En retrait se trouve l’industrie automobile, qui devrait croître à un taux de croissance annuel composé stable.
Entreprises utilisant les technologies piézoélectriques
Aujourd’hui, parmi les entreprises qui font progresser ce domaine, on trouve USound, dont les haut‑parleurs MEMS utilisent l’effet piézoélectrique, et Noliac, qui développe des actionneurs, générateurs et transformateurs piézoélectriques.
Kinetic Ceramics est une autre société dont les spécialités incluent les actionneurs piézoélectriques, les vannes piézoélectriques, les pompes à état solide, l’usinage de précision, les systèmes intelligents et les systèmes de contrôle de mouvement.
Les technologies Piezo d’Amphenol Corporation (APH ) se spécialisent également dans les matériaux céramiques piézoélectriques et les transducteurs ultrasoniques. Ses produits comprennent également des dispositifs, des assemblages et des systèmes utilisés dans l’aérospatiale, la défense, l’automobile, le transport et le génie civil.
CTS Corporation (CTS ) fabrique des produits piézoélectriques pour les secteurs med‑tech, aérospatial et industriel. La société, dont la capitalisation boursière s’élève à 1,43 milliard de dollars, voit ses actions se négocier actuellement à 47,21 $, en hausse de 7,93 % depuis le début de l’année (YTD). Elle affiche un BPA (TTM) de 1,77 et un PER (TTM) de 26,66, tout en versant un rendement du dividende de 0,34 %.
CTS Graphique du prix
L3Harris Technologies (LHX )
Cette entreprise fournit des solutions technologiques de bout en bout qui connectent les domaines aérien, spatial, terrestre, maritime et cyber. Elle conçoit également des formes céramiques piézoélectriques pour diverses applications dans les domaines du sonar militaire et de l’acoustique, de l’imagerie médicale, de la thérapie contre le cancer et de la récupération d’énergie. L3Harris possède plus de 70 ans d’expertise en science des matériaux pour formuler des céramiques piézoélectriques haute performance, y compris les matériaux PZT, PT et PMN pour les clients militaires et commerciaux.
Les formulations en poudre céramique piézoélectrique de l’entreprise sont uniformes, haute performance, à grain fin et à haute densité, ce qui les rend adaptées à un large éventail d’utilisations, notamment les transducteurs et les matériaux hautement personnalisés qui soutiennent le traitement du cancer, l’administration de médicaments, l’imagerie et les soins des plaies. Les céramiques piézoélectriques de L3Harris récupèrent l’énergie provenant de la pression ou des vibrations qui serait autrement gaspillée, contribuant ainsi à réduire la dépendance aux batteries en fournissant de l’énergie aux réseaux de capteurs sans fil.
LHX Graphique du prix
Au moment de la rédaction, les actions LHX se négocient à 248,15 $, en hausse de 17,82 % cette année, ce qui porte leur capitalisation boursière à 47 milliards de dollars. Le BPA (TTM) de la société est de 6,25 et le PER (TTM) de 39,72, avec un rendement du dividende de 1,87 %. Bien que L3Harris Technologies publiera ses résultats financiers du troisième trimestre 2024 dans les prochains jours, pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 4,5 milliards de dollars, soit une hausse de 13 %, tandis que sa marge opérationnelle était de 9 %.
“Nous avons livré un autre trimestre solide de résultats financiers avec des marges améliorées, reflétant notre engagement envers l’excellence opérationnelle et une focalisation implacable sur l’exécution qui crée de la valeur pour nos clients et actionnaires.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Conclusion
Des lampadaires alimentés par le trafic aux sols capables d’alimenter l’éclairage d’un bâtiment, en passant par des pneus rechargeant un véhicule, les matériaux piézoélectriques ont le potentiel de révolutionner le secteur de l’énergie propre. Cependant, même ces matériaux ne sont pas exempts de défis, d’où le développement de matériaux piézoélectriques sans plomb.
Ces nouveaux matériaux, comme les pérovskites chalcogénides, représentent une avancée significative dans les technologies de récupération d’énergie durable. Grâce à leur faible toxicité, leur haute stabilité et leur réponse piézoélectrique renforcée sous contrainte, ils peuvent réellement concrétiser le potentiel des matériaux piézoélectriques et révolutionner la génération d’énergie. Et alors que les chercheurs continuent d’explorer ces nouveaux matériaux en utilisant l’IA, ce domaine peut ouvrir la voie à des innovations dans les dispositifs biomédicaux, les infrastructures et la technologie portable de manière durable.
