Piezoelektriske polymerer – utnytte vibrasjoner og strukturelle belastninger for gratis energi

Et forskerteam har laget en polymerfilm fylt med et chalcogenid-perovskittforbindelse som genererer elektrisitet når den blir belastet. Dette fenomenet er kjent som piezoelektrisk effekt, som ganske enkelt er evnen til visse materialer til å generere en elektrisk ladning når mekanisk stress påføres.

Den piezoelektriske effekten forekommer i materialer som mangler krystallstrukturens symmetri. Krystaller, keramikk, polymerer og biologisk materiale som bein, DNA og ulike proteiner er forskjellige typer piezoelektriske materialer.

Slike materialer har potensial til å samle energi knyttet til mekaniske vibrasjoner. Det beste med denne energiformen er at den er til stede overalt rundt oss i rikelig mengde og er fornybar av natur.

Imidlertid, som de siste forskningsnotatene viser, piezoelektriske materialer som presterer best ofte inneholder det kjemiske grunnstoffet bly (Pb), som kan forårsake kreft, øke risikoen for hjernesvulster og hindre DNA-reparasjon.

Materialer som inneholder bly er farlige, og regulatorer har begrenset bruken for å beskytte miljøet.

Gitt toksisiteten til bly, som er et tungt, formbart, naturlig forekommende metall med relativt lavt smeltepunkt, blir det i økende grad faset ut av materialer og enheter.

Derfor var teamets mål å skape et materiale som var blyfritt og kunne produseres billig ved bruk av elementer som er vanlig forekommende i naturen.

Så brukte teamet fra Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) et materiale som ikke bare er blyfritt, men også er ett av de få høytytende. Derfor er det en utmerket kandidat for bruk i biomedisinske applikasjoner, maskiner og infrastruktur.

Det blyfrie materialet teamet brukte tilhører chalcogenid-perovskittfamilien som viser piezoelektrisitet. BaZrS3 var sammensetningen som ble brukt i studien, og den rapporteres å ha en markant piezoelektrisk respons.

Chalcogenid-perovskitter har de siste tiden fått mye oppmerksomhet og fremskritt. Denne familien av forbindelser er relatert til perovskittstrukturer, som har mange gunstige egenskaper som lav toksisitet, høy stabilitet, direkte båndgap, gode ladningsbæreregenskaper og sterk lysabsorpsjon.

Disse egenskapene gjør perovskitter svært fremtredende i applikasjoner som fotovoltaikk, fotodetektorer, lysutslippende enheter og fotokatalysatorer.

Interessant nok er de fleste høytytende piezoelektriske materialer ikke-centralsymmetriske og viser dermed en iboende høy polariserbarhet. Imidlertid viser mange oksid-perovskitter, inkludert den som ble brukt i studien, en sentralsymmetrisk krystallstruktur, som er svakt piezoelektrisk i sin rene form. Disse forbindelsene er faktisk ikke-polare fordi de naturlig mangler et netto dipolmoment.

Dipolmomentet er det vitenskapelige navnet på hvordan piezoelektriske materialer oppfører seg under stress, som er en deformasjon som får positive og negative ioner i materialet til å separeres. Dette dipolmomentet kan utnyttes og omdannes til en elektrisk strøm.

Men uten et netto dipolmoment, hvordan oppnådde teamet piezoelektrisitet? Vel, de utnytter den løse pakningen i chalcogenid-perovskittstrukturen for å overvinne problemet.

Skalering av teknologien for grønne energiapplikasjoner

Den siste studien viser at til tross for at de er sentralsymmetriske, blir blyfrie chalcogenid-perovskittmaterialer svært raskt polariserbare når de deformeres. Dette skyldes en løst pakket enhetscelle som har mye tomt rom.

Dette betydelige volumet av tomt rom gjør det mulig med en utvidet forskyvning av ioner, som igjen reduserer symmetrien og resulterer i et forsterket forskyvningsmediert dipolmoment.

Teamet utførte en piezoresponskraftmikroskopi (PFM) på BaZrS3 for å bekrefte materialets piezoelektrisitet.

PFM er en funksjonell atomkraftmikroskopi (AFM)-modell som er anerkjent for den unike informasjonen den gir om de elektromechaniske egenskapene til ulike materialer på nanometerskala.

Strukturell symmetri i chalcogenid-perovskittmaterialet, ifølge teamet, kan lett brytes under stress, noe som fører til en forbedret piezoelektrisk respons. Så, etter bekreftelse, utviklet teamet kompositter av BaZrS3-partikler spredt i polykaprolakton.

Det nye syntetiserte materialet inneholder barium, zirconium og svovel, som deretter ble brukt til å hente energi fra menneskekroppens bevegelser og drive elektrolytiske og elektroniske enheter.

Teamet testet materialets evne til å generere elektrisitet ved å utsette det for kroppslige bevegelser som løping, gåing, tapping med fingrene og klapping. Den elektrisiteten som ble produsert under eksperimentet var tilstrekkelig til å drive LED-banker, som stavet RPI.

“Vi er begeistret og oppmuntret av våre funn og deres potensial til å støtte overgangen til grønn energi.”

– Nikhil Koratkar, medforfatter av studien

Materialet, ifølge ham, konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Ifølge Koratkar:

“Jo større påført trykkbelastning og jo større overflateareal trykket påføres, desto større blir effekten.”

Energihøstingsfilmen laget av teamet er kun 0,3 millimeter tykk og kan integreres i ulike maskiner, enheter og strukturer som bygninger og motorveier for å produsere elektrisitet når de vibrerer, eller når kjøretøy kjører over dem.

Testene utført av teamet viser også at teknologien kan være nyttig på mange måter, inkludert i en enhet som bæres av syklister eller løpere som lyser opp hjelmer eller viser for å gjøre dem mer synlige.

Det skal sies at det for øyeblikket kun er et konseptbevis. Teamet håper å «til slutt se dette materialet implementert i stor skala, hvor det virkelig kan gjøre en forskjell i energiproduksjon», sa Koratkar.

I de neste stegene vil forskerne undersøke hele familien av chalcogenid-perovskittforbindelser for å finne et materiale som viser en kraftigere piezoelektrisk effekt. Til dette vil teamet bruke kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML).

“Bærekraftig energiproduksjon er avgjørende for vår fremtid,” sa Shekhar Garde, Ph.D., dekan ved RPI School of Engineering, mens han applauderte RPI-teamets innsats i materialoppdagelse som han sier «kan bidra til å løse et globalt problem».

Den transformative virkningen av piezoelektrisitet

Piezoelektrisitet ble først identifisert av Jacques og Pierre Curie i 1880, og i dag brukes fenomenet bredt i virkelige applikasjoner. Deres evne til å direkte konvertere elektrisk og mekanisk energi gjør dem svært attraktive for applikasjoner som energihøstingsenheter.

Et av de mest vanlige eksemplene på piezoelektrisitet er elektriske lightere. Når du trykker på en knapp, treffer fjærens arm piezoelektriske krystaller, og dette mekaniske stresset skaper en elektrisk strøm som deretter blir til en flamme for å tenne gassen. Du kan finne eksempler på piezoelektrisitet overalt i hverdagen.

Som vi har detaljert i vår forrige artikkel, har piezoelektrisitet faktisk blitt et grunnleggende prinsipp som brukes i moderne teknologi, fra mobiltelefoner og bærbare enheter, dempingssystemer og rengjøringsløsninger til romfart, sonar, diagnostiske verktøy innen helsevesenet og aktuatorer.

Gitt den omfattende bruken har flere fremskritt funnet sted på dette feltet. Alt startet med utviklingen av den populære piezoelektriske keramikken PZT (blyzirkonat titanat) for omtrent et halvt århundre siden, og deretter Polyvinylidenfluorid (PVDF) i 1964.

Siden da har forskere arbeidet med å utvikle nye materialer og teknologier for å forbedre effektiviteten og allsidigheten til piezoelektriske enheter. Et hovedfokus har vært å skape miljøvennlige alternativer til blybaserte keramikker som PZT på grunn av økende bekymringer om blytoxicitet, som vi så i den nevnte studien.

Forskere har utforsket materialer som bariumtitanat (BaTiO₃) og kaliumnatriumniobat (KNN) for dette, som gir piezoelektriske egenskaper uten den skadelige miljøpåvirkningen fra bly.

I tillegg har fremskritt innen polymerbaserte piezoelektriske materialer som PVDF og dets kopolymerer gjort det mulig å integrere dem i smarte tekstiler, sensorer og medisinske implantater.

Piezoelektriske polymerer har faktisk blitt grundig undersøkt for energihøsting på grunn av deres iboende fleksibilitet og ettergivenhet, noe som gjør dem egnet for applikasjoner hvor enheten må bøyes mye for å integreres i bærbare enheter.

Bærbar elektronikk representerer innovasjonen av tradisjonell stiv elektronikk, og tilbyr revolusjonerende løsninger innen helse, energi, nevrovitenskap, metavers og bærekraft. Bruken av piezoelektrisitet i disse enhetene gjør at selskaper kan redusere behovet for hyppig lading og batterier, og gir brukerne bekvemmeligheten av en bærbar enhet sammen med forbedret sikkerhet.

Nylige utviklinger innen nanoteknologi har også gjort det mulig å lage nanostrukturerte piezoelektriske materialer, som gir forbedret ytelse i mindre størrelser.

For eksempel blir kvanteprikker, nanotråder og grafen undersøkt for deres potensial til å betydelig forbedre følsomheten og effektiviteten til piezoelektriske systemer, noe som gjør dem svært gunstige i applikasjoner som fleksibel elektronikk og neste generasjons bildeteknologi.

Alle disse innovasjonene innen piezoelektriske materialer har åpnet nye muligheter i ulike industrier, og etter hvert som disse fremskrittene fortsetter, vil det globale markedet for piezoelektriske materialer oppleve betydelig vekst.

Klikk her for å lære hvordan piezoelektriske kraftomformere bidrar til å krympe trykte kretskort.

En massiv vekst foran

Når det gjelder det globale markedet for piezoelektriske materialer, forventes det å vokse fra 1,52 milliarder dollar i 2024 til 2,19 milliarder dollar innen 2032.

Mens begrenset drift i viktige sluttbrukerindustrier som elektronikk- og bilsektoren kritisk påvirket etterspørselen etter piezoelektriske materialer, førte COVID-19 til en økning i etterspørselen etter utstyr som oksymetre, pyrometre, elektroniske termometre og automatiserte ventilatorer, som bruker piezomaterialer for å konvertere en energiform til en annen. Dette påvirket deretter etterspørselen etter disse materialene under krisen, bemerket rapporten om piezoelektrisk materialmarked.

Regionalt er det amerikanske markedet, spesielt, forventet å vokse betydelig, og nå en estimert verdi på 248,48 milliarder dollar i løpet av de neste åtte årene, drevet av økende produksjon innen elektronikk, IT- og telekomsektoren. Landets omfattende romutforskningsprogram vil også bidra til denne veksten.

I mellomtiden utgjør størrelsen på Asia‑Stillehavsmarkedet 0,99 milliarder dollar, med en markedsandel på 68,28 % i 2023. Denne dominansen skyldes at Asia‑Stillehavsregionen blir et produksjonssenter for elektronikk og forbruksvarer, med Kina, Japan, Taiwan, India og Sør‑Korea som fokuserer på å utvide sine produksjonskapasiteter.

Mens markedet for piezoelektriske materialer i Latin-Amerika er i sin spede begynnelse, har økende etterspørsel blitt observert i Midtøsten og Afrika på grunn av regionens voksende helse‑ og elektronikkindustri.

Når det gjelder anvendelse, er markedet for piezoelektriske materialer segmentert i sensorer, resonatorer, generatorer & transformatorer, aktuatorer, transdusere, SONAR, akustiske enheter, motorer og andre.

Blant disse forventes sensor-divisjonen å vokse med en betydelig CAGR på grunn av teknologiens anvendelse i flere felt, inkludert forbrukerelektronikk, produksjonslinjer og autonome kjøretøy.

Samtidig forventes aktuatorer, som konverterer elektriske signaler fra systemet til mekanisk energi for kontroll for å utføre en spesifikk handling, å utgjøre den største markedsandelen for piezoelektriske materialer, drevet av deres bruk i robotarmer, presisjonskontroll av industrielle maskinverktøy og kjøretøyets bremse‑ og akselerasjonssystemer.

Forbrukerprodukter som mikrobølgeovner, TV‑er, vaskemaskiner og fjernstyrte leker, som bruker piezomaterialer for å kontrollere og drive disse produktene, forventes å opprettholde sin ledende posisjon i det globale markedet. Bak dem ligger bilindustrien, som forventes å vokse med en stabil CAGR.

Selskaper som bruker piezoelektrisk teknologi

Når det gjelder selskaper som driver dette feltet fremover, har vi USound, hvis MEMS‑høyttalere utnytter den piezoelektriske effekten, og Noliac, som utvikler piezo‑aktuatorer, generatorer og transformatorer.

Kinetic Ceramics er enda et selskap hvis spesialiteter inkluderer piezoelektriske aktuatorer, piezoelektriske ventiler, solid‑state‑pumper, presisjonsmaskinering, intelligente systemer og bevegelseskontrollsystemer.

Amphenol Corporation’s Piezo Technologies (APH ) spesialiserer seg også på piezoelektriske keramiske materialer og ultrasoniske transdusere. Produktene deres inkluderer også enheter, samlinger og systemer som brukes i romfart, forsvar, bilindustri, transport og sivil ingeniørkunst.

CTS Corporation (CTS ) produserer piezoelektriske produkter innen med‑tech, romfart og industrielle sektorer. Selskapets aksjer med en markedsverdi på 1,43 milliarder dollar handles for tiden til $47,21, opp 7,93 % år‑til‑dato (YTD). Det har en EPS (TTM) på 1,77 og en P/E (TTM) på 26,66, mens det betaler et utbytte på 0,34 %.

L3Harris Technologies

Dette selskapet leverer helhetlige teknologiløsninger som kobler luft, rom, land, sjø og cyber‑domener. Det designer også piezoelektriske keramiske former for ulike anvendelser innen militært sonar og akustikk, medisinsk bildediagnostikk, kreftbehandling og energihøsting. L3Harris kan skryte av over 70 års materialvitenskapelig ekspertise i formulering av høyytelses piezoelektriske keramikker, inkludert PZT-, PT- og PMN‑materialer for både militære og kommersielle kunder.

Selskapets formuleringer av piezoelektrisk keramisk pulver er jevne, høyytelses, fin‑kornet og høy‑tetthet, noe som gjør dem egnet for et bredt spekter av bruksområder, inkludert transdusere og høyt tilpassede materialer som støtter kreftbehandling, medikamentlevering, bildediagnostikk og sårpleie. Piezoelektriske keramikker fra L3Harris høster energi fra trykk eller vibrasjon som ellers ville blitt bortkastet, og bidrar dermed til å redusere avhengigheten av batterier ved å levere strøm til trådløse sensornettverk.

På tidspunktet for skrivingen handles LHX-aksjer til $248,15, opp 17,82 % så langt i år, noe som gir en markedsverdi på $47 milliarder. Med dette er selskapets EPS (TTM) 6,25 og en P/E (TTM) på 39,72 mens det betaler et utbytte på 1,87 %. Mens L3Harris Technologies (LHX ) vil publisere sine Q3‑2024‑resultater i de kommende dagene, rapporterte selskapet for 2Q24 en omsetning på $4,5 milliarder, en økning på 13 %, mens driftsmarginen var 9 %.

“Vi leverte nok et sterkt kvartal med finansresultater med forbedrede marginer, noe som reflekterer vårt engasjement for operasjonell fortreffelighet og en ubøyelig fokus på gjennomføring som leverer verdi til våre kunder og aksjonærer.”

– CEO Christopher E. Kubasik

Konklusjon

Fra gatene som er opplyst av trafikk til gulv som kan forsyne bygningens belysning, til dekk som lader et kjøretøy, har piezoelektriske materialer potensial til å revolusjonere sektoren for ren energi. Imidlertid er selv disse materialene ikke uten utfordringer, derfor utviklingen av blyfrie piezoelektriske materialer.

Disse nye materialene, som chalcogenid-perovskitter, markerer et betydelig fremskritt innen bærekraftige energihøstings‑teknologier. Med deres lave toksisitet, høye stabilitet og forbedrede piezoelektriske respons under stress, kan de virkelig realisere potensialet til piezoelektriske materialer og revolusjonere energiproduksjon. Og etter hvert som forskere fortsetter å utforske disse nye materialene ved å bruke AI, kan dette feltet bane vei for innovasjoner innen biomedisinske enheter, infrastruktur og bærbar teknologi på en bærekraftig måte.

Klikk her for å lære hvordan fremskritt i piezoelektriske kompositter gjør det mulig å utnytte og tolke kinetisk energi.