Materiali Piezoelettrici – La Fonte di Energia Sconosciuta più Comune

Con nuove applicazioni pratiche sviluppate ogni giorno, si prevede che l’industria piezoelettrica raggiunga circa 41 miliardi di dollari nei prossimi tre anni, con un tasso di crescita annuale composto di quasi il 6%. Questo boom consentirà lo sviluppo e l’implementazione ulteriori di polimeri piezoelettrici ad alta tecnologia, amorfi e basati su film, nel mondo moderno.

Che cosa sono i Materiali Piezoelettrici?

I materiali piezoelettrici ci permettono di sfruttare l’energia cinetica, trasformando la forza in una 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 applicata una sollecitazione meccanica. Questa carica elettrica è prodotta da un’asimmetria forzata.  Nei materiali piezoelettrici, le cariche positive e negative sono separate tra loro, mantenendo un modello simmetrico.  Quando viene applicata una sollecitazione meccanica alla sostanza, questa simmetria viene persa, risultando nella produzione di una carica elettrica.

Fase beta del PVDF.

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

In seguito è stato scoperto che questi stessi materiali dimostravano una proprietà inversa diretta rispetto all’effetto elettrico.  È stato riscontrato che se una carica elettrica viene applicata al materiale, si verifica una deformazione meccanica ripetibile all’interno del materiale.  Questa scoperta ha conferito grande utilità a tali materiali, poiché ha essenzialmente raddoppiato i loro potenziali casi d’uso.

Produttori e Innovatori

Prima di approfondire esempi di casi d’uso nel mondo reale, ecco un trio di aziende leader che sfruttano i materiali piezoelettrici in una varietà di prodotti fondamentali per l’elettronica moderna.

È importante notare che gli analisti di Barron’s attualmente elencano ciascuna delle seguenti azioni come ‘over’ o ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Quotata al NYSE, Stoneridge (SRI) ha visto le sue azioni aumentare di valore nell’ultimo anno di oltre il 30% al momento della stesura.  Sebbene i ricavi di Stoneridge siano stati colpiti durante il picco del COVID, il 2021 ha registrato una ripresa di quasi il 20% a 770 M$.
Stoneridge impiega oltre 5.000 persone e opera nello Stato del Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Quotata al NYSE, Methode Electronics Inc. ha visto le sue azioni aumentare di valore nell’ultimo anno di quasi il 15% al momento della stesura.  Negli ultimi 4 anni, Methode Electronics è riuscita a far crescere i suoi ricavi tra il 2,36% e il 10,13% ogni anno.  Per il 2022, i ricavi hanno superato 1,16 M$.
Methode Electronics impiega oltre 7.000 persone e opera nello Stato dell’Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Quotata al Nasdaq, Kimball Electronics Inc. ha visto le sue azioni aumentare di valore nell’ultimo anno di oltre il 32% al momento della stesura.  Mentre le aziende sopra elencate hanno avuto difficoltà dal 2019 al 2020, Kimball Electronics è riuscita a vantare un costante aumento dei ricavi.  Con un totale di 1,35 M$ per il 2022, ciò rappresenta un aumento del 4,47% rispetto al 2021.
Kimball Electronics impiega oltre 7.000 persone e opera nello Stato dell’Indiana.

Innovazioni Moderne

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

Nel 1964 è stato sviluppato il PVDF (polivinilidenfluoruro).  Il PVDF ha una struttura semi-cristallina e genera cariche diverse volte superiori a quelle del quarzo.  Sebbene questo polimero sintetico abbia risolto molti degli svantaggi della PZT, ne presenta di propri – rotture piezoelettriche ad alte temperature e degradazione.  Con i recenti progressi tecnologici e l’aumento della domanda, la PZT e il PVDF potrebbero aver raggiunto i loro limiti.

All’inizio degli anni 2000, istituti come GAIKER-IK4 hanno iniziato a sviluppare quello che è noto come polimeri piezoelettrici amorfi.  Utilizzando una struttura amorfa, la sostanza può sopportare temperature molto più elevate.  Poiché gli effetti piezoelettrici non dipendono dalla struttura cristallina, che si deteriora a temperature più alte, le strutture amorfe producono un polimero molto più robusto.

Questi polimeri amorfi sono in fase di sviluppo perché offrono livelli più elevati di deformazione, una grande riduzione del peso e una maggiore robustezza.  Raggiungendo ciò, il campo di applicazione dei materiali ora consente l’integrazione in dispositivi aerospaziali ed elettronici.  Con i nuovi polimeri e film piezoelettrici amorfi in sviluppo, il guasto durante l’uso si verificherà a temperature di circa 150 °C e superiori.  La degradazione della sostanza avverrà a circa 400 °C.  Sebbene ciò possa limitare il loro utilizzo in condizioni estreme, la stragrande maggioranza delle applicazioni rientra in un intervallo adeguato.

Come molti nuovi materiali, questi polimeri vengono sviluppati utilizzando PVDF e PVT come fondamenta.  Si tenta di mantenere gli attributi positivi di ciascun materiale eliminando il più possibile gli svantaggi.  Sebbene questi prodotti siano nuovi polimeri, sono modellati sui modelli attualmente funzionanti.

Utilizzando una struttura amorfa, è necessario eseguire test approfonditi sulle temperature ottimali di transizione vetrosa.  Questo valore è direttamente collegato alla forza delle proprietà piezoelettriche che il materiale possiederà.  La struttura amorfa dimostra e si basa su un ordine a corto raggio per produrre l’effetto piezoelettrico, invece dell’ordine a lungo raggio osservato nelle strutture cristalline.  Inoltre, molti scelgono di incorporare poliimmidi nella struttura dei materiali grazie alle loro proprietà meccaniche, dielettriche e termiche, con i poliimmidi che garantiscono il polarizzazione 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 attuale è nei sensori e negli attuatori.  Sebbene siano stati impiegati materiali piezoelettrici adeguati per questi casi d’uso, le applicazioni future richiedono un materiale più versatile.  Fortunatamente, i polimeri piezoelettrici in sviluppo sono proprio questo: versatili.  Con continui progressi nella nostra comprensione della scienza dei materiali e nella loro capacità di mostrare effetti inversi diretti, il numero di applicazioni in cui possono essere utilizzati continua a crescere.  Alcune interessanti applicazioni presenti e potenziali future includono,

Elettronica Mobile e Indossabile

Cellular e dispositivi indossabili alimentati dalla voce.  Utilizzando la pressione creata all’interno del microfono a causa delle onde sonore, i polimeri piezoelettrici potrebbero un giorno generare sufficiente energia per far funzionare il telefono.  Sebbene sia improbabile che questo concetto elimini completamente la necessità di una batteria nel prossimo futuro, crea la possibilità di estendere la durata della batteria in dispositivi smart indossabili a basso consumo.

Va notato che i materiali piezoelettrici sono stati utilizzati nei microfoni per quasi 100 anni.  Piuttosto che l’obiettivo finale sia caricare un dispositivo, queste applicazioni consentono la conversione delle onde sonore in elettricità per la registrazione e la riproduzione in modo economico.

Sistemi di Smorzamento

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

Lo stesso concetto viene applicato alla riduzione di rumore e vibrazioni in auto, abitazioni e ambienti di lavoro pericolosi.  Un esempio di tale ambiente sono le fattorie di mining di Bitcoin.  Non solo le vibrazioni sono dannose per le apparecchiature elettroniche a lungo termine, ma ci sono stati vari casi di comunità circostanti in cui queste operazioni hanno presentato reclami sul rumore e le vibrazioni generate dall’uso di dispositivi ASIC.  In molti scenari simili, gli attuatori basati su piezo vengono utilizzati come soluzione per smorzare questi effetti.  Poiché le onde sonore vengono generate in auto, case e macchinari da materiali che riverberano, questo rumore può anche essere eliminato, o almeno ridotto, con metodi tradizionali come un materiale adesivo di smorzamento.  Questi materiali funzionano passivamente, sono molto pesanti e costosi.  Tipicamente agiscono abbassando la frequenza di risonanza del materiale.  Sfruttare le proprietà dei polimeri piezoelettrici risolve questo problema adottando l’approccio più attivo e dinamico descritto sopra.

Soluzioni di Pulizia

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

Questo processo prevede l’applicazione di una carica elettrica al film, che poi vibra a una frequenza e tono specifici consentendo a polvere e sporco di cadere semplicemente grazie alla gravità.  Ciò comporta risparmi di acqua e manodopera, aumentando al contempo la longevità e l’efficienza dei pannelli rivestiti.  Una soluzione semplice ma ingegnosa a un problema che cresce con l’aumento delle installazioni solari.

Implementazioni più comuni di 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 le sollecitazioni mediante la misurazione delle cariche elettriche prodotte – un caso d’uso che può consentire non solo una maggiore sicurezza, ma anche una maggiore efficienza, permettendo agli ingegneri di ridurre il peso e rafforzare le strutture dove necessario.

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

Strumenti Diagnostici per la Sanità

Man mano che la nostra capacità di creare dispositivi sempre più piccoli migliora, stiamo ora utilizzando i materiali piezoelettrici in vari strumenti diagnostici nel settore sanitario.  Un esempio è l’ecografia intravascolare (IVUS).  L’IVUS è un processo che consente a minuscole sonde di generare immagini all’interno dei vasi sanguigni.  Ciò avviene mediante l’uso di trasduttori a ultrasuoni costruiti con cristalli piezoelettrici singoli.

I materiali piezoelettrici sono utilizzati anche in alcune apparecchiature odontoiatriche.  Simile alla soluzione di pulizia utilizzata da SolarClean descritta sopra, questa apparecchiatura 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 imaging includono la mappatura topografica dei fondali oceanici o i comuni rilevatori di pesci.  Nel frattempo, la comunicazione può essere realizzata mediante la creazione di onde sonore.  Ognuno di questi processi è reso possibile grazie all’uso di trasduttori piezoelettrici.

Nonostante sia stato sviluppato più di 100 anni fa, il sonar continua a svolgere un ruolo importante oggi.  L’esempio più recente e diffuso è la sua implementazione nelle auto a guida autonoma, che tipicamente utilizzano una combinazione di sonar, LIDAR e radar per monitorare e interpretare l’ambiente circostante.

Raccolta di Energia

Infine, un’applicazione molto intrigante sarebbe la produzione di energia su larga scala.  I polimeri piezoelettrici sono in fase di sviluppo per essere installati in aree ad alto traffico, inclusi vari stabilimenti, campi sportivi, stazioni ferroviarie e altro in tutto il mondo.  Un pezzo di quarzo di 1 cm³ è in grado di produrre fino a 4.500 V di elettricità quando viene applicata una forza di 175 lb.  Con ogni passo che colpisce il suolo in tali stazioni, si crea questa elettricità, offrendo il potenziale di raccogliere enormi quantità prodotte quotidianamente, aumentando notevolmente l’efficienza e riducendo i costi elettrici per l’edificio.

Oltre al traffico pedonale, molti hanno immaginato un futuro in cui le strade siano integrate con tali materiali, generando elettricità per alimentare lampioni e segnali mentre le auto esercitano una forza fisica su di essi.

Quando combinate, tecnologie future come la ricarica wireless per auto in sviluppo da Electreon e le superfici alimentate da aziende come Pavegen, potranno sperare un giorno di ridurre le dimensioni delle batterie nei veicoli e offrire un modo molto più efficiente e pulito per mantenere le auto elettriche cariche.

Parola Finale

Nel complesso, il potenziale dei materiali piezoelettrici sta appena iniziando a essere compreso.  Gli effetti fotovoltaici che rendono possibile l’energia solare furono scoperti a metà del XIX secolo e solo ora stanno diventando pratici per un uso diffuso.  I materiali piezoelettrici non sono diversi, e man mano che la ricerca e lo sviluppo su questi materiali proseguono, aumentano l’efficienza e la durabilità.  I progressi scientifici moderni stanno ora permettendo di realizzare, o almeno comprendere, 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 una piccola selezione tra innumerevoli possibilità.