Scienza dei materiali
Polimeri piezoelettrici: recuperare energia da vibrazioni e sollecitazioni
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Un gruppo di ricercatori ha realizzato un film polimerico contenente particelle di una perovskite calcogenurica, capace di generare carica elettrica quando viene sollecitato meccanicamente. Il fenomeno è noto come effetto piezoelettrico.
La piezoelettricità dipende dalla simmetria del materiale e dalla sua polarizzazione. Nei cristalli convenzionali richiede una struttura priva di centro di inversione; anche alcuni polimeri e materiali biologici, tra cui ossa e proteine, mostrano risposte piezoelettriche. Non significa che il materiale sia privo di qualsiasi simmetria.
Questi materiali possono recuperare parte dell’energia meccanica di vibrazioni e movimenti. Non creano energia: la quantità disponibile dipende dalla sorgente meccanica e dalle perdite di conversione.
Tuttavia, come indicano le note di ricerca, i materiali piezoelettrici ad alte prestazioni contengono spesso piombo (Pb), un metallo tossico. Questo favorisce la ricerca di alternative prive di piombo, soprattutto per dispositivi a contatto con il corpo.
I materiali che contengono piombo sono pericolosi, e i regolatori hanno limitato il loro utilizzo per proteggere l’ambiente.
Data la tossicità del piombo, un metallo pesante, malleabile, naturalmente presente e con un punto di fusione relativamente basso, si sta progressivamente eliminando dai materiali e dai dispositivi.
Perciò, l’obiettivo del team era creare un materiale privo di piombo e in grado di essere prodotto a basso costo utilizzando elementi comunemente presenti in natura.
Il gruppo del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ha studiato una possibile alternativa priva di piombo. I risultati sono promettenti per la raccolta di energia, ma non costituiscono una certificazione di sicurezza biomedica né dimostrano che il materiale superi tutte le altre alternative.
Il materiale studiato appartiene alla famiglia delle perovskiti calcogenuriche. I ricercatori hanno misurato una risposta piezoelettrica nel composto BaZrS3.
Le perovskiti calcogenuriche sono studiate anche per applicazioni ottiche ed elettroniche. La loro struttura e la composizione possono offrire proprietà utili, tra cui assorbimento della luce e stabilità ambientale.
Queste proprietà motivano la ricerca su fotovoltaico, fotorivelatori, dispositivi a emissione luminosa e fotocatalisi.
La fase stabile del BaZrS3 è centrosimmetrica, mentre molti piezoelettrici convenzionali sono non centrosimmetrici. Lo studio attribuisce la risposta osservata alla riduzione della simmetria provocata dalla deformazione. BaZrS3 è una perovskite calcogenurica, non una perovskite ossidica.
Il momento dipolare descrive una separazione di cariche positive e negative. Una variazione della polarizzazione durante la deformazione può produrre carica agli elettrodi; un circuito può quindi utilizzare l’energia elettrica ottenuta.
I ricercatori hanno collegato la risposta alla struttura relativamente poco compatta della perovskite calcogenurica, che consente spostamenti degli ioni sotto sollecitazione.
Scalare la tecnologia per applicazioni di energia verde
Lo studio indica che la deformazione può indurre una risposta polare nelle perovskiti calcogenuriche, pur partendo da una struttura centrosimmetrica. La cella elementare relativamente poco compatta permette spostamenti degli ioni.
Gli spostamenti ionici possono ridurre la simmetria e aumentare il momento dipolare indotto dalla deformazione.
Il gruppo ha utilizzato la microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM) per caratterizzare la risposta del BaZrS3.
La microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM) è una modalità della microscopia a forza atomica che misura la risposta elettromeccanica locale su scala nanometrica.
Dopo la caratterizzazione del materiale, i ricercatori hanno preparato compositi con particelle di BaZrS3 disperse in policaprolattone.
Il composto contiene bario, zirconio e zolfo. Nel composito flessibile è stato utilizzato per sperimentare la raccolta di energia dai movimenti del corpo.
Il gruppo ha sperimentato la raccolta di energia da movimenti come camminare, correre, piegare il gomito e battere le mani. In dimostrazioni di laboratorio, il dispositivo ha caricato condensatori e acceso gruppi di LED disposti a formare la sigla RPI.
“Siamo entusiasti e incoraggiati dai nostri risultati e dal loro potenziale nel supportare la transizione verso l’energia verde.”
– Nikhil Koratkar, co‑autore dello studio
Il materiale, secondo lui, converte l’energia meccanica in energia elettrica. Secondo Koratkar:
“Quanto maggiore è il carico di pressione applicato e più ampia è l’area su cui la pressione è distribuita, maggiore è l’effetto.”
Il film per la raccolta di energia ha uno spessore di circa 0,3 millimetri. I ricercatori ne prospettano l’integrazione in dispositivi, macchine e strutture soggette a vibrazioni; i test non dimostrano ancora un impiego su larga scala in edifici o strade.
Tra le applicazioni prospettate vi sono piccoli segnalatori luminosi indossabili per ciclisti e corridori. Restano da verificare potenza disponibile, durata e prestazioni nelle condizioni reali.
Detto ciò, attualmente è solo una prova di concetto. Il team spera di “vedere eventualmente questo tipo di materiale implementato su larga scala, dove possa davvero fare la differenza nella produzione di energia”, ha affermato Koratkar.
Nei prossimi passi, i ricercatori esamineranno l’intera famiglia di composti perovskiti calcogenurici per trovare un materiale che mostri un effetto piezoelettrico più potente. Per questo, il team utilizzerà intelligenza artificiale (AI) e apprendimento automatico (ML).
“La produzione di energia sostenibile è vitale per il nostro futuro,” ha dichiarato Shekhar Garde, Ph.D., decano della RPI School of Engineering, applaudendo gli sforzi del team RPI nella scoperta di materiali che, secondo lui, “possono aiutare a risolvere un problema globale”.
L’impatto trasformativo della piezoelettricità
Jacques e Pierre Curie identificarono la piezoelettricità nel 1880. I materiali piezoelettrici permettono di convertire energia meccanica in energia elettrica e, tramite l’effetto inverso, energia elettrica in deformazione meccanica.
Un esempio comune è l’accenditore piezoelettrico. Premendo il pulsante si aziona un meccanismo che colpisce il materiale piezoelettrico, generando un impulso ad alta tensione. La scintilla accende il gas: la corrente non si trasforma direttamente in fiamma.
Come abbiamo dettagliato nel nostro articolo precedente, la piezoelettricità è diventata un principio fondamentale utilizzato nella tecnologia moderna, spaziando da telefoni cellulari e dispositivi indossabili, sistemi di smorzamento e soluzioni di pulizia a aerospazio, sonar, strumenti diagnostici sanitari e attuatori.
La ricerca ha sviluppato numerose famiglie di materiali, tra cui le ceramiche PZT, a base di titanato-zirconato di piombo, e i polimeri come il polivinilidenfluoruro (PVDF). La piezoelettricità del PVDF fu riportata nel 1969.
Da allora, i ricercatori hanno lavorato allo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie per migliorare l’efficienza e la versatilità dei dispositivi piezoelettrici. Un focus importante è stato creare alternative ecologiche ai ceramici a base di piombo come il PZT, a causa delle crescenti preoccupazioni sulla tossicità del piombo, come visto nello studio sopra menzionato.
Tra le alternative prive di piombo studiate figurano il titanato di bario (BaTiO₃) e il niobato di potassio e sodio (KNN). Evitare il piombo riduce un rischio specifico, ma non elimina la necessità di valutare l’intero ciclo di vita e la sicurezza del dispositivo.
Inoltre, i progressi nei materiali piezoelettrici a base di polimeri come il PVDF e i suoi copolimeri hanno permesso la loro integrazione in tessuti intelligenti, sensori e impianti medici.
I polimeri piezoelettrici sono studiati per la raccolta di energia grazie alla loro flessibilità e capacità di adattarsi a forme diverse, utili nei dispositivi indossabili sottoposti a piegature ripetute.
L’elettronica indossabile può beneficiare di sensori e generatori flessibili. La raccolta piezoelettrica può integrare l’alimentazione di dispositivi a basso consumo; non garantisce l’eliminazione delle batterie o delle ricariche.
I recenti sviluppi nella nanotecnologia hanno anche permesso la creazione di materiali piezoelettrici nanostrutturati, che offrono prestazioni migliorate a dimensioni ridotte.
Ad esempio, punti quantici, nanofili e grafene sono oggetto di studio per il loro potenziale di migliorare significativamente la sensibilità e l’efficienza dei sistemi piezoelettrici, rendendoli davvero vantaggiosi in applicazioni come elettronica flessibile e tecnologie di imaging di nuova generazione.
Questi sviluppi aprono nuove possibilità applicative. La loro diffusione commerciale dipenderà anche da costi, prestazioni e affidabilità.
Prospettive di crescita del mercato
La stima commerciale citata nell’articolo prevedeva un aumento del mercato mondiale dei materiali piezoelettrici da 1,52 miliardi di dollari nel 2024 a 2,19 miliardi nel 2032. Si tratta di una previsione, non di ricavi già realizzati.
Durante la pandemia, le interruzioni industriali hanno ridotto parte della domanda, mentre alcune applicazioni mediche hanno sostenuto l’interesse per sensori e trasduttori. Non tutti gli ossimetri, pirometri o termometri utilizzano materiali piezoelettrici. Questi effetti sulla domanda sono discussi nel rapporto sul mercato dei materiali piezoelettrici.
Elettronica, telecomunicazioni e aerospazio offrono possibili applicazioni negli Stati Uniti. Le previsioni regionali dipendono dalle ipotesi adottate e devono essere confrontate usando unità e periodi coerenti.
La stessa stima attribuiva all’Asia-Pacifico un mercato di circa 0,99 miliardi di dollari e una quota del 68,28 % nel 2023. La regione comprende importanti centri produttivi di elettronica e beni di consumo, tra cui Cina, Giappone, Taiwan, India e Corea del Sud.
Il rapporto individuava opportunità anche in America Latina, Medio Oriente e Africa, legate fra l’altro all’elettronica e alla sanità. Le prospettive di crescita restano stime commerciali.
Le applicazioni comprendono sensori, risonatori, generatori, trasformatori, attuatori, trasduttori, sonar, dispositivi acustici e motori.
I sensori sono utilizzati in elettronica di consumo, linee produttive e sistemi automobilistici. Questa varietà di impieghi contribuisce all’interesse per il segmento.
Gli attuatori trasformano un segnale elettrico in movimento o deformazione controllata. Possono essere impiegati in posizionamento di precisione, lavorazioni industriali e sistemi automobilistici; la loro diffusione varia secondo il progetto e l’applicazione.
I materiali piezoelettrici trovano impiego anche in componenti di prodotti di consumo, come segnalatori acustici, sensori e telecomandi. Ciò non significa che alimentino o controllino da soli l’intero elettrodomestico. L’automotive rappresenta un altro settore applicativo.
Aziende che utilizzano tecnologie piezoelettriche
Tra le aziende attive nel settore figurano USound, che sviluppa altoparlanti MEMS basati sull’effetto piezoelettrico, e Noliac, specializzata in componenti come attuatori, generatori e trasformatori piezoelettrici.
Kinetic Ceramics opera in ambiti come attuatori e valvole piezoelettrici, pompe a stato solido, lavorazioni di precisione e controllo del movimento.
Piezo Technologies, del gruppo Amphenol (APH ) è specializzata in materiali ceramici piezoelettrici e trasduttori ultrasonici. Le applicazioni comprendono settori industriali, medicali, aerospaziali e della difesa.
CTS Corporation (CTS ) produce componenti piezoelettrici per applicazioni medicali, aerospaziali e industriali. Le quotazioni, la capitalizzazione e i multipli riportati nel contesto dell’articolo del 2024 erano dati di mercato variabili, non valori attuali né indicatori certi del potenziale di questa tecnologia.
CTS Grafico dei prezzi
L3Harris Technologies
L3Harris Technologies fornisce soluzioni per applicazioni aerospaziali, terrestri, navali e informatiche. La sua attività nei materiali piezoelettrici comprende ceramiche e componenti per sonar, acustica e trasduttori, con possibili applicazioni industriali e medicali.
Le formulazioni ceramiche piezoelettriche possono essere adattate a diverse applicazioni di trasduzione. La raccolta di energia da pressioni e vibrazioni può alimentare alcuni sensori a basso consumo, ma non rende automaticamente superflue le batterie e non equivale a un trattamento oncologico approvato.
LHX Grafico dei prezzi
Nel contesto dell’articolo del 2024, le azioni LHX erano indicate a 248,15 dollari; quotazione, capitalizzazione e multipli variano nel tempo. Per il secondo trimestre 2024, L3Harris Technologies (LHX ) ha comunicato ricavi di circa 5,3 miliardi di dollari, in aumento del 13 % rispetto all’anno precedente, e un margine operativo del 9 %.
“Abbiamo consegnato un altro trimestre solido di risultati finanziari con margini migliorati, riflettendo il nostro impegno per l’eccellenza operativa e una concentrazione incessante sull’esecuzione che genera valore per i nostri clienti e azionisti.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Conclusione
La piezoelettricità può recuperare una parte dell’energia di pressioni e vibrazioni per dispositivi a basso consumo. Strade, pavimenti e pneumatici sono possibili contesti di ricerca, ma non si può dedurne che possano alimentare un intero edificio o ricaricare un veicolo senza un apporto energetico esterno e senza perdite.
Le perovskiti calcogenuriche ampliano le possibilità di ricerca su materiali privi di piombo. Prima di applicazioni diffuse occorrono verifiche su potenza utile, durata, costi, produzione e sicurezza. Gli sviluppi potrebbero interessare dispositivi indossabili, sensori e infrastrutture, senza che la prova di laboratorio garantisca una rivoluzione nella produzione elettrica.
