Ilmu material
Polimer Piezoelektrik – Memanfaatkan Getaran dan Tegangan Struktural untuk Energi Gratis
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Sebuah tim peneliti telah menciptakan film polimer yang diisi dengan senyawa perovskit kalsogenida yang menghasilkan listrik ketika diberikan tekanan. Fenomena ini dikenal sebagai efek piezoelektrik, yang secara sederhana adalah kemampuan beberapa material untuk menghasilkan muatan listrik ketika stres mekanik diterapkan.
Efek piezoelektrik terjadi pada material yang tidak memiliki simetri struktur kristal. Kristal, keramik, polimer, dan materi biologis seperti tulang, DNA, serta berbagai protein merupakan jenis-jenis material piezoelektrik.
Material-material tersebut memiliki potensi untuk mengumpulkan energi yang terkait dengan getaran mekanik. Hal terbaik dari bentuk energi ini adalah bahwa ia hadir di sekitar kita dalam pasokan melimpah dan bersifat terbarukan.
Namun, sebagaimana dicatat dalam catatan penelitian terbaru, material piezoelektrik yang memiliki kinerja terbaik cenderung mengandung unsur kimia timbal (Pb), yang dapat menyebabkan kanker, meningkatkan risiko tumor otak, dan menghambat perbaikan DNA.
Material yang mengandung timbal berbahaya, dan regulator telah membatasi penggunaannya untuk melindungi lingkungan.
Mengingat toksisitas timbal, yang merupakan logam berat, lunak, alami dengan titik leleh relatif rendah, penggunaannya semakin banyak dihapus dari material dan perangkat.
Oleh karena itu, tujuan tim adalah menciptakan material yang bebas timbal dan dapat diproduksi secara murah menggunakan elemen yang umum ditemukan di alam.
Jadi, tim dari Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) memanfaatkan material yang tidak hanya bebas timbal tetapi juga termasuk beberapa material berperforma tinggi. Oleh karena itu, material ini merupakan kandidat yang sangat baik untuk aplikasi biomedis, mesin, dan infrastruktur.
Material bebas timbal yang digunakan tim termasuk dalam keluarga perovskit kalsogenida yang menunjukkan sifat piezoelektrik. BaZrS3 adalah komposisi yang dipakai dalam studi, yang dilaporkan memiliki respons piezoelektrik yang kuat.
Perovskit kalsogenida belakangan ini mendapatkan banyak perhatian dan kemajuan. Keluarga senyawa ini terkait dengan struktur perovskit, yang memiliki banyak sifat menguntungkan seperti toksisitas rendah, stabilitas tinggi, celah pita langsung, kemampuan transportasi pembawa yang baik, dan penyerapan cahaya yang kuat.
Sifat-sifat ini membuat perovskit sangat menonjol dalam aplikasi seperti fotovoltaik, fotodetektor, perangkat pemancar cahaya, dan fotokatalis.
Menariknya, sebagian besar material piezoelektrik berperforma tinggi bersifat non-centrisimetri sehingga menunjukkan polaritas intrinsik yang tinggi. Namun, banyak perovskit oksida, termasuk yang digunakan dalam studi ini, memiliki struktur kristal sentrisimetri, yang bersifat piezoelektrik lemah dalam bentuk aslinya. Senyawa-senyawa ini sebenarnya non-polar karena secara inheren tidak memiliki momen dipol bersih.
Momen dipol adalah istilah ilmiah untuk cara material piezoelektrik berperilaku ketika berada di bawah tekanan, yaitu deformasi yang menyebabkan ion positif dan ion negatif dalam material terpisah. Momen dipol ini dapat dimanfaatkan dan diubah menjadi arus listrik.
Namun tanpa momen dipol bersih, bagaimana tim berhasil mencapai piezoelektrik? Mereka memanfaatkan susunan yang longgar dalam struktur perovskit kalsogenida untuk mengatasi masalah tersebut.
Skalasi Teknologi untuk Aplikasi Energi Hijau
Studi terbaru menjelaskan bahwa meskipun bersifat sentrisimetri, material perovskit kalsogenida bebas timbal menjadi dapat dipolarisasi dengan sangat cepat saat mengalami deformasi. Hal ini disebabkan oleh sel satuan yang terpaket longgar, yang memiliki banyak ruang kosong.
Volume ruang kosong yang signifikan ini memungkinkan perpindahan ion yang lebih luas, yang pada gilirannya mengurangi simetri dan menghasilkan momen dipol yang diperkuat melalui perpindahan.
Tim melakukan mikroskopi gaya respons piezo (PFM) pada BaZrS3 untuk mengkonfirmasi sifat piezoelektrik material tersebut.
PFM adalah model mikroskop gaya atomik (AFM) fungsional yang dikenal karena informasi unik yang diberikannya tentang sifat elektromekanik berbagai material pada skala nanometer.
Simetri struktural dalam material perovskit kalsogenida, menurut tim, dapat dengan mudah dipecah di bawah tekanan, yang menghasilkan respons piezoelektrik yang meningkat. Setelah dikonfirmasi, tim mengembangkan komposit partikel BaZrS3 yang tersebar dalam polikaprolakton.
Material baru yang disintesis mengandung barium, zirkonium, dan sulfur, yang kemudian digunakan untuk memanen energi dari gerakan tubuh manusia serta memberi daya pada perangkat elektrokimia dan elektronik.
Tim menguji kemampuan material menghasilkan listrik dengan memaparkannya pada gerakan tubuh seperti berlari, berjalan, mengetuk jari, dan bertepuk tangan. Listrik yang dihasilkan selama percobaan terbukti cukup untuk menyalakan rangkaian LED, menampilkan tulisan RPI.
“Kami sangat bersemangat dan terdorong oleh temuan kami serta potensinya untuk mendukung transisi menuju energi hijau.”
– Nikhil Koratkar, Penulis bersama studi
Material tersebut, menurutnya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Menurut Koratkar:
“Semakin besar beban tekanan yang diterapkan dan semakin luas area permukaan yang terkena tekanan, semakin besar efeknya.”
Film pemanen energi yang dibuat tim hanya setebal 0,3 milimeter dan dapat diintegrasikan ke dalam berbagai mesin, perangkat, dan struktur seperti bangunan serta jalan raya untuk menghasilkan listrik ketika bergetar, atau kendaraan melintasinya.
Pengujian yang dilakukan tim juga menunjukkan bahwa teknologi ini dapat berguna dalam berbagai cara, termasuk dalam perangkat yang dipakai oleh pengendara sepeda atau pelari yang menerangi helm atau menampilkan cahaya untuk membuat mereka lebih terlihat.
Meskipun demikian, saat ini masih berupa bukti konsep. Tim berharap dapat “akhirnya melihat material jenis ini diimplementasikan secara skala, di mana ia benar‑benar dapat membuat perbedaan dalam produksi energi,” kata Koratkar.
Sekarang, dalam langkah selanjutnya, peneliti akan memeriksa seluruh keluarga senyawa perovskit kalsogenida untuk menemukan material yang menunjukkan efek piezoelektrik lebih kuat. Untuk itu, tim akan memanfaatkan kecerdasan buatan (AI) dan pembelajaran mesin (ML).
“Produksi energi berkelanjutan sangat penting bagi masa depan kita,” kata Shekhar Garde, Ph.D., dekan Sekolah Teknik RPI, sambil memuji upaya tim RPI dalam penemuan material yang ia katakan “dapat membantu mengatasi masalah global.”
Dampak Transformasional Piezoelektrik
Piezoelektrik pertama kali diidentifikasi oleh Jacques dan Pierre Curie pada tahun 1880, dan kini fenomena tersebut banyak digunakan dalam aplikasi dunia nyata. Kemampuannya untuk secara langsung mengubah energi listrik dan mekanik menjadikannya sangat menarik untuk aplikasi seperti perangkat pemanen energi.
Salah satu contoh paling umum dari piezoelektrik adalah pemantik listrik. Saat Anda menekan tombol, tuas pegas menabrak kristal piezoelektrik, dan tekanan mekanik ini menghasilkan arus listrik yang kemudian menjadi nyala api untuk menyalakan gas. Anda dapat menemukan contoh piezoelektrik di mana saja dalam kehidupan sehari-hari.
Seperti yang kami jabarkan dalam artikel sebelumnya, piezoelektrik telah menjadi prinsip fundamental yang digunakan dalam teknologi modern, mulai dari ponsel dan perangkat wearable, sistem peredam, hingga solusi pembersihan, serta aerospace, sonar, alat diagnostik kesehatan, dan aktuator.
Mengingat penggunaannya yang luas, beberapa kemajuan telah terjadi di bidang ini. Semua dimulai dengan pengembangan keramik piezoelektrik populer PZT (lead zirconate titanate) sekitar setengah abad yang lalu dan kemudian Polyvinylidene fluoride (PVDF) pada tahun 1964.
Sejak itu, peneliti telah bekerja mengembangkan material dan teknologi baru untuk meningkatkan efisiensi serta fleksibilitas perangkat piezoelektrik. Fokus utama adalah menciptakan alternatif ramah lingkungan untuk keramik berbasis timbal seperti PZT karena kekhawatiran yang meningkat tentang toksisitas timbal, seperti yang kami lihat dalam studi yang disebutkan di atas.
Peneliti telah mengeksplorasi material seperti barium titanate (BaTiO₃) dan potassium sodium niobate (KNN) untuk tujuan ini, yang menawarkan sifat piezoelektrik tanpa dampak lingkungan berbahaya dari timbal.
Selain itu, kemajuan pada material piezoelektrik berbasis polimer seperti PVDF dan kopolimernya telah memungkinkan integrasinya ke dalam tekstil pintar, sensor, dan implan medis.
Polimer piezoelektrik telah banyak diteliti untuk pemanenan energi karena fleksibilitas dan kepatuhannya yang intrinsik, menjadikannya cocok untuk aplikasi di mana perangkat harus mengalami banyak pembengkokan untuk diintegrasikan ke dalam perangkat wearable.
Elektronik wearable mewakili inovasi dari elektronik tradisional yang kaku, menawarkan solusi revolusioner dalam bidang kesehatan, energi, ilmu saraf, metaverse, dan keberlanjutan. Penggunaan piezoelektrik dalam perangkat ini memungkinkan perusahaan mengurangi kebutuhan pengisian ulang dan baterai, memberikan pengguna kenyamanan perangkat portabel serta keamanan yang lebih baik.
Perkembangan terbaru dalam nanoteknologi juga memungkinkan pembuatan material piezoelektrik nanostruktur, yang menawarkan kinerja meningkat pada ukuran yang lebih kecil.
Sebagai contoh, quantum dot, nanowire, dan graphene sedang diteliti untuk potensi mereka dalam meningkatkan sensitivitas dan efisiensi sistem piezoelektrik secara signifikan, yang sangat bermanfaat dalam aplikasi seperti elektronik fleksibel dan teknologi pencitraan generasi berikutnya.
Semua inovasi ini dalam material piezoelektrik telah membuka peluang baru di berbagai industri, dan seiring berlanjutnya kemajuan tersebut, pasar global material piezoelektrik diperkirakan akan mengalami pertumbuhan signifikan.
Pertumbuhan Besar di Depan
Mengenai pasar material piezoelektrik global, diperkirakan akan tumbuh dari $1,52 miliar pada 2024 menjadi $2,19 miliar pada 2032.
Meskipun operasi terbatas dari industri akhir penting seperti elektronik dan otomotif secara kritis memengaruhi permintaan material piezoelektrik, COVID-19 menyebabkan lonjakan permintaan untuk peralatan seperti oksimeter, pirometer, termometer elektronik, dan ventilator otomatis, yang memanfaatkan material piezo untuk mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk lain. Hal ini kemudian memengaruhi permintaan material tersebut selama krisis, sebagaimana dicatat dalam laporan tentang Pasar Material Piezoelektrik.
Secara regional, pasar AS khususnya diproyeksikan tumbuh signifikan, mencapai nilai perkiraan $248,48 miliar dalam delapan tahun ke depan, didorong oleh peningkatan produksi elektronik, TI, dan sektor Telekomunikasi. Program eksplorasi luar angkasa negara tersebut juga akan berkontribusi pada pertumbuhan ini.
Sementara itu, ukuran pasar Asia Pasifik mencapai $0,99 miliar, dengan pangsa pasar 68,28% pada 2023. Dominasi ini disebabkan oleh Asia Pasifik yang muncul sebagai pusat manufaktur elektronik dan barang konsumen, dengan China, Jepang, Taiwan, India, dan Korea Selatan fokus memperluas kemampuan produksi mereka.
Sementara pasar material piezoelektrik di Amerika Latin masih dalam tahap awal, permintaan yang meningkat telah terlihat di Timur Tengah dan Afrika karena industri kesehatan dan elektronik di wilayah tersebut yang berkembang.
Dari segi aplikasi, pasar material piezoelektrik dibagi menjadi sensor, resonator, generator & transformer, aktuator, transduser, SONAR, perangkat akustik, motor, dan lainnya.
Di antara ini, divisi sensor diproyeksikan tumbuh dengan CAGR yang substansial karena aplikasi teknologi dalam berbagai bidang, termasuk elektronik konsumen, jalur produksi, dan kendaraan otomatis.
Sementara itu, aktuator, yang mengubah sinyal listrik yang dikirim sistem menjadi energi mekanik untuk kontrol guna melakukan aksi tertentu, diperkirakan akan menyumbang pangsa pasar material piezoelektrik terbesar, didorong oleh aplikasinya pada lengan robotik, kontrol presisi alat mesin industri, serta sistem pengereman dan akselerasi kendaraan.
Barang konsumen seperti microwave, TV, mesin cuci, dan mainan remote control, yang menggunakan material piezo untuk mengontrol dan mengoperasikan produk tersebut, diperkirakan akan mempertahankan kepemimpinannya di pasar global. Di belakangnya adalah industri otomotif, yang diproyeksikan tumbuh dengan CAGR stabil.
Perusahaan yang Memanfaatkan Teknologi Piezoelektrik
Sekarang, terkait perusahaan yang memajukan bidang ini, ada USound, yang speaker MEMS‑nya memanfaatkan efek piezoelektrik, dan Noliac, yang mengembangkan aktuator piezo, generator, dan transformer.
Kinetic Ceramics adalah perusahaan lain yang spesialisasinya meliputi aktuator piezo, katup piezo, pompa solid‑state, pemesinan presisi, sistem cerdas, dan sistem kontrol gerakan.
Teknologi Piezo Amphenol Corporation (APH ) juga berspesialisasi dalam material keramik piezoelektrik dan transduser ultrasonik. Produk-produknya juga mencakup perangkat, rakitan, dan sistem yang digunakan di aerospace, pertahanan, otomotif, transportasi, dan teknik sipil.
CTS Corporation (CTS ) memproduksi produk piezoelektrik di sektor med‑tech, aerospace, dan industri. Perusahaan dengan kapitalisasi pasar $1,43 miliar ini saat ini diperdagangkan pada $47,21, naik 7,93% sejak awal tahun (YTD). Ia memiliki EPS (TTM) sebesar 1,77 dan P/E (TTM) sebesar 26,66, sementara membayar dividen sebesar 0,34%.
CTS Grafik Harga
L3Harris Technologies
Perusahaan ini menyediakan solusi teknologi end‑to‑end yang menghubungkan domain udara, ruang, darat, laut, dan siber. Ia juga merancang bentuk keramik piezoelektrik untuk berbagai aplikasi di bidang sonar militer dan akustik, pencitraan medis, terapi kanker, dan pemanenan energi. L3Harris memiliki lebih dari 70 tahun keahlian ilmu material dalam merumuskan keramik piezoelektrik berperforma tinggi, termasuk material PZT, PT, dan PMN untuk pelanggan militer maupun komersial.
Formulasi bubuk keramik piezoelektrik perusahaan ini seragam, berperforma tinggi, berbutir halus, dan berdensitas tinggi, sehingga cocok untuk berbagai penggunaan, termasuk transduser dan material khusus yang mendukung perawatan kanker, pengiriman obat, pencitraan, dan perawatan luka. Keramik piezoelektrik dari L3Harris memanen energi dari tekanan atau getaran yang seharusnya terbuang, sehingga membantu mengurangi ketergantungan pada baterai dengan menyediakan daya untuk jaringan sensor nirkabel.
LHX Grafik Harga
Pada saat penulisan, saham LHX diperdagangkan pada $248,15, naik 17,82% tahun ini, yang menempatkan kapitalisasi pasar sebesar $47 miliar. Dengan itu, EPS perusahaan (TTM) adalah 6,25 dan P/E (TTM) sebesar 39,72 sambil membayar dividen 1,87%. Meskipun L3Harris Technologies (LHX ) akan merilis hasil keuangan Q3 2024 dalam beberapa hari ke depan, untuk 2Q24, perusahaan melaporkan pendapatan sebesar $4,5 miliar, meningkat 13%, sementara margin operasinya 9%.
“Kami menyampaikan kuartal keuangan yang kuat lagi dengan margin yang meningkat, mencerminkan komitmen kami terhadap keunggulan operasional dan fokus tanpa henti pada pelaksanaan yang memberikan nilai bagi pelanggan dan pemegang saham kami.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Kesimpulan
Dari lampu jalan yang dipenuhi oleh lalu lintas hingga lantai yang dapat memberi daya pada penerangan gedung dan ban yang mengisi daya kendaraan, material piezoelektrik memiliki potensi untuk merevolusi sektor energi bersih. Namun, bahkan material ini tidak lepas dari tantangan, sehingga pengembangan material piezoelektrik bebas timbal menjadi penting.
Material baru ini, seperti perovskit kalsogenida, menandai kemajuan signifikan dalam teknologi pemanen energi berkelanjutan. Dengan toksisitas rendah, stabilitas tinggi, dan respons piezoelektrik yang meningkat di bawah tekanan, mereka dapat membantu mewujudkan potensi material piezoelektrik dan merevolusi produksi energi. Dan seiring peneliti terus mengeksplorasi material baru ini dengan memanfaatkan AI, bidang ini dapat membuka jalan bagi inovasi dalam perangkat biomedis, infrastruktur, dan teknologi wearable secara berkelanjutan.
