Materiali Piezoelettrici – La Fonte di Energia Sconosciuta più Comune

Con nuove applicazioni pratiche in via di sviluppo ogni giorno, si prevede che l’industria dei materiali piezoelettrici raggiungerà circa 41 miliardi di dollari nei prossimi tre anni, con un tasso di crescita annuale composto di quasi il 6%. Questo boom permetterà ulteriori sviluppi e implementazioni di polimeri piezoelettrici ad alta tecnologia amorfi e a film nelle applicazioni moderne.

Che cosa sono i materiali piezoelettrici?

I materiali piezoelettrici ci consentono di sfruttare l’energia cinetica, trasformando la forza in carica elettrica. Definiti per la prima volta dai fratelli Curie nel 1880, la piezoelettricità è diventata un principio fondamentale sfruttato nella tecnologia moderna.

La piezoelettricità si riferisce alla capacità di una sostanza di produrre una carica elettrica quando viene applicato uno stress meccanico. Questa carica elettrica è prodotta da un’asimmetria forzata. Nei materiali piezoelettrici, le cariche positive e negative sono separate tra loro, rimanendo allineate in un modello simmetrico. Quando viene applicato uno stress meccanico alla sostanza, si perde questa simmetria, risultando nella produzione di una carica elettrica.

Fase beta PVDF.

Un’altra proprietà unica di questi materiali è la natura casuale e la presenza di domini di Weiss (orientati magneticamente senza influenza magnetica esterna).

Fu successivamente scoperto che questi stessi materiali dimostravano una proprietà inversa diretta all’effetto elettrico. Fu scoperto che se una carica elettrica veniva applicata al materiale, si verificava una deformazione meccanica ripetibile all’interno del materiale. Questa scoperta diede grande utilità a tali materiali, poiché essenzialmente raddoppiò i loro casi d’uso prospettici.

Produttori e Innovatori

Prima di addentrarci in esempi di casi d’uso nel mondo reale, le seguenti sono una triade di aziende leader che sfruttano i materiali piezoelettrici in una varietà di prodotti integrali nella moderna elettronica.

In particolare, gli analisti di Barron’s elencano attualmente ciascuna di queste azioni come ‘over’ o ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Quotato al NYSE, Stoneridge (SRI) ha visto il valore delle sue azioni aumentare nel corso dell’ultimo anno di oltre il 30% al momento della stesura. Mentre i ricavi di Stoneridge hanno subito un calo durante il picco di COVID, il 2021 ha visto un rimbalzo del 20% a 770 milioni di dollari

Stoneridge impiega oltre 5.000 persone e opera nel Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Quotato al NYSE, Methode Electronics Inc. ha visto il valore delle sue azioni aumentare nel corso dell’ultimo anno di quasi il 15% al momento della stesura. Nel corso degli ultimi 4 anni, Methode Electronics è riuscita a continuare a far crescere i suoi ricavi tra il 2,36% e il 10,13% ogni anno. Per il 2022, i ricavi hanno superato i 1,16 miliardi di dollari.

Methode Electronics impiega oltre 7.000 persone e opera nell’Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Quotato al Nasdaq, Kimball Electronics Inc. ha visto il valore delle sue azioni aumentare nel corso dell’ultimo anno di oltre il 32% al momento della stesura. Mentre le aziende elencate sopra hanno lottato dal 2019 al 2020, Kimball Electronics è riuscita a continuare a vantare ricavi in aumento. Totale di 1,35 miliardi di dollari per il 2022, questo rappresenta un aumento del 4,47% rispetto al 2021.

Kimball Electronics impiega oltre 7.000 persone e opera nell’Indiana.

Progressi Moderni

Tradizionalmente, le sostanze piezoelettriche naturali venivano utilizzate per dimostrare l’effetto. Il materiale più comune era il quarzo. Quando i limiti delle sostanze naturali venivano raggiunti, le ceramiche create dall’uomo divennero la scelta popolare. Progettate nel 1952 e ancora oggi una delle ceramiche piezoelettriche più popolari, è il PZT (zirconato di titanato di piombo). Tuttavia, con svantaggi come la limitata deformazione, la fragilità e una densità di massa elevata, il PZT non è ideale per ogni applicazione.

Nel 1964 venne sviluppato il PVDF (fluoruro di polivinilidene). Il PVDF ha una struttura semicristallina e crea cariche diverse volte superiori a quelle del quarzo. Sebbene questo polimero artificiale abbia risolto molti degli svantaggi del PZT, aveva anche diversi svantaggi – come la rottura piezoelettrica alle alte temperature e il degrado. Con i recenti progressi tecnologici e la crescente domanda, il PZT e il PVDF potrebbero aver raggiunto i loro limiti.

All’inizio degli anni 2000, istituti come GAIKER-IK4 iniziarono a sviluppare ciò che sono noti come polimeri piezoelettrici amorfi. Utilizzando una struttura amorfa, possono essere sopportate temperature molto più elevate dalla sostanza. Poiché gli effetti piezoelettrici non dipendono dalla struttura cristallina che si rompe alle alte temperature, le strutture amorfe fanno per un polimero molto più robusto.

Questi polimeri amorfi vengono sviluppati perché offrono livelli più elevati di deformazione, una grande riduzione di peso e una maggiore robustezza. Raggiungendo ciò, il campo delle applicazioni per i materiali ora consente l’incorporazione di dispositivi elettronici e aerospaziali. Con i nuovi polimeri piezoelettrici amorfi e i film in via di sviluppo, il guasto durante l’uso si verificherà a temperature di circa 150°C e superiori. Il degrado della sostanza si verificherà a temperature di circa 400°C. Sebbene ciò possa limitarne l’uso in condizioni estreme, la stragrande maggioranza delle applicazioni rientra in un intervallo appropriato.

Come molti nuovi materiali, questi polimeri vengono sviluppati utilizzando il PVDF e il PVT come fondamenti. Tentando di mantenere gli attributi positivi di ciascun materiale mentre si eliminano quanti più svantaggi possibile. Sebbene tali prodotti siano polimeri più recenti, sono modellati sui modelli di lavoro attuali.

Utilizzando una struttura amorfa, è necessario eseguire test approfonditi sulle temperature di transizione vetrose ottimali. Questo valore è direttamente collegato alla forza delle proprietà piezoelettriche che il materiale possiederà. La struttura amorfa dimostra e si basa sull’ordine a breve raggio per produrre un effetto piezoelettrico invece dell’ordine a lungo raggio come si vede nelle strutture cristalline. Inoltre, molti stanno optando per l’incorporazione di polimidi nella struttura dei materiali a causa delle loro proprietà meccaniche, dielettriche e termiche, con i polimidi che garantiscono l’orientamento delle molecole indipendentemente dalla loro posizione.

Casi d’Uso

Le applicazioni passate e attuali dei materiali piezoelettrici includono molti oggetti poco appariscenti come accendini, orologi al quarzo e persino sistemi di gestione del motore. L’uso più comune per essi attualmente sarebbe nei sensori e negli attuatori. Sebbene i materiali piezoelettrici adatti siano stati applicati per questi casi d’uso, le applicazioni future richiedono un materiale più versatile. Fortunatamente, i polimeri piezoelettrici in sviluppo sono proprio questo – versatili. Con costanti progressi nella nostra comprensione della scienza dei materiali e della loro capacità di mostrare effetti inversi diretti, il numero di applicazioni in cui possono essere utilizzati continua ad aumentare. Alcune applicazioni presenti e future interessanti includono,

Elettronica Mobile e Indossabile

Telefoni cellulari alimentati dalla pressione creata all’interno del microfono a causa delle onde sonore, i polimeri piezoelettrici possono sperare un giorno di creare abbastanza energia necessaria per utilizzare il telefono. Sebbene sia improbabile che questo concetto elimini la necessità di una batteria nel prossimo futuro, crea la possibilità di estendere la durata della batteria nei dispositivi indossabili a basso consumo.

È importante notare che i materiali piezoelettrici sono stati utilizzati nei microfoni per quasi 100 anni a questo punto. Piuttosto che l’obiettivo finale essere quello di alimentare un dispositivo, queste applicazioni consentono la conversione delle onde sonore in elettricità allo scopo di registrazione e riproduzione in modo economico.

Sistemi di Smorzamento

Un’altra applicazione è l’uso dei materiali piezoelettrici nei sistemi di smorzamento. Aziende come HEAD hanno incorporato questa idea nelle loro racchette da tennis e sci nel tentativo di assorbire/smorzare le vibrazioni. Quando si verifica un impatto sulla racchetta o sugli sci, l’effetto reciproco viene sfruttato inviando il segnale elettrico creato a un materiale inverso che fornisce una forza opposta. Ciò risulta in un sistema di smorzamento efficace.

Lo stesso concetto viene applicato alla riduzione del rumore e delle vibrazioni nelle auto, nelle case e in ambienti di lavoro pericolosi. Un esempio di tale ambiente sarebbero le aziende di mining di Bitcoin. Non solo le vibrazioni sono dannose per l’attrezzatura elettronica nel lungo termine, ci sono stati vari casi di comunità circostanti in cui queste operazioni si svolgono complaining del rumore e delle vibrazioni risultanti dall’uso di dispositivi ASIC. In molti scenari simili, gli attuatori piezo-based vengono utilizzati come soluzione per smorzare ciascuno di questi effetti. Con le onde sonore create nelle auto, nelle case e nelle macchine da materiali riverberanti, questo rumore può anche essere eliminato, o almeno ridotto, con metodi tradizionali come un materiale di smorzamento adesivo. Questi materiali lavorano in modo passivo, tuttavia, e sono molto pesanti e costosi. Di solito funzionano abbassando la frequenza di risonanza di un materiale. Sfruttando le proprietà dei polimeri piezoelettrici risolve questo problema prendendo un approccio più attivo e dinamico descritto sopra.

Soluzioni di Pulizia

Per dimostrare quanto siano versatili i casi d’uso dei materiali piezoelettrici, considerate il lavoro svolto da aziende come Solar PiezoClean. In questo caso, l’azienda sta rivestendo i pannelli solari con un film piezoelettrico. Lo scopo è offrire un mezzo a bassa manutenzione per mantenere i pannelli solari puliti – una chiave per garantire l’efficienza ottimale.

Questo processo coinvolge l’applicazione di una carica elettrica al film, che poi vibra a una frequenza e un tono specifici che consentono alla polvere e alla sporcizia di cadere semplicemente con l’aiuto della gravità. Ciò significa risparmi di acqua e manodopera, aumentando la longevità e l’efficienza dei pannelli rivestiti. Una soluzione semplice, ma ingegnosa, a un problema che sta crescendo man mano che le installazioni solari diventano più comuni.

Applicazioni più comuni dei materiali piezoelettrici in questo modo includono dispositivi di pulizia ultrasonica come i pulitori di gioielli.

Aerospaziale

In precedenza abbiamo menzionato l’uso dei materiali piezoelettrici nel settore aerospaziale. Qui, gli aerei possono utilizzare tali materiali per monitorare l’integrità strutturale e gli stressori attraverso la misurazione delle cariche elettriche prodotte – un caso d’uso che può consentire non solo una maggiore sicurezza, ma anche maggiore efficienza, permettendo agli ingegneri di tagliare simultaneamente il peso e rafforzare le strutture dove necessario.

Andando oltre la nostra atmosfera, gli attuatori piezoelettrici vengono utilizzati in molti satelliti. La capacità di operare con estrema precisione consente a tali attuatori di creare micro-propulsori in grado di posizionare correttamente i satelliti.

Strumenti Diagnostici per la Sanità

Man mano che miglioriamo la nostra capacità di creare dispositivi sempre più piccoli, stiamo ora utilizzando materiali piezoelettrici in vari strumenti di diagnostica nella sanità. Un esempio di ciò è l’ecografia intravascolare (IVUS). L’IVUS è un processo che consente a piccole sonde di generare immagini all’interno dei vasi sanguigni. Ciò avviene attraverso l’uso di trasduttori ultrasonori costruiti con cristalli piezoelettrici singoli.

I materiali piezoelettrici vengono anche utilizzati in alcuni dispositivi dentistici. Simili alle soluzioni di pulizia utilizzate da SolarClean descritte sopra, questo dispositivo si basa su onde ultrasoniche, prodotte applicando una corrente elettrica ai materiali piezoelettrici, per pulire/rimuovere la placca dai denti.

Sonar

I sistemi sonar (Sound Navigation and Ranging) possono essere utilizzati per fornire immagini o per la comunicazione. Esempi di immagini includono la mappatura topografica dei fondali oceanici o i comuni cercatori di pesci. Nel frattempo, la comunicazione può essere raggiunta attraverso la creazione di onde sonore. Ciascuno di questi processi è reso possibile attraverso l’uso di trasduttori piezoelettrici.

Nonostante sia stato sviluppato oltre 100 anni fa, il sonar continua a svolgere un ruolo importante oggi. L’ultima applicazione più recente e diffusa sarebbe la sua implementazione nelle auto a guida autonoma, che di solito utilizzano una combinazione di sonar, LIDAR e radar per tracciare e interpretare l’ambiente circostante.

Raccolta di Energia

Infine, un’applicazione molto intrigante sarebbe la produzione di energia su larga scala. I polimeri piezoelettrici vengono sviluppati per essere posizionati in aree ad alto traffico, tra cui vari stabilimenti, campi sportivi, stazioni ferroviarie e altro ancora in tutto il mondo. Un pezzo di quarzo da 1 cm³ è in grado di produrre fino a 4.500 V di elettricità quando viene applicata una forza di 175 libbre. Con ogni passo che colpisce il suolo in tali stazioni che crea questa elettricità, c’è il potenziale di sfruttare enormi quantità man mano che viene creata quotidianamente – aumentando notevolmente l’efficienza e i costi dell’elettricità per l’edificio.

Oltre al traffico pedonale, molti hanno immaginato un futuro in cui le strade sono incorporate con tali materiali, creando elettricità per alimentare semafori e cartelli stradali man mano che le auto esercitano una forza fisica su di essi.

Quando combinati, future tecnologie come la ricarica wireless per auto in sviluppo da Electreon e superfici alimentate da aziende come Pavegen, potrebbero un giorno consentire dimensioni di batteria ridotte nei veicoli e un modo molto più efficiente e pulito per mantenere le auto elettriche caricate.

Ultima Parola

Nel complesso, il potenziale dei materiali piezoelettrici sta solo iniziando a essere realizzato. Gli effetti fotovoltaici che rendono possibile l’energia solare sono stati scoperti a metà del 1800 e stanno solo ora diventando pratici per un uso diffuso. I materiali piezoelettrici non sono diversi e, man mano che la ricerca e lo sviluppo in questi materiali continuano, aumentano l’efficienza e la durata. I progressi scientifici moderni ci stanno solo ora permettendo di realizzare, o almeno capire, il pieno potenziale di questa fonte di energia, con i casi d’uso elencati qui (generazione di elettricità, smorzamento del suono, sonar, sensori, attuatori, ecc.) che rappresentano solo alcuni esempi tra innumerevoli possibilità.