Materiais Piezoelétricos – A Fonte de Energia Desconhecida Mais Comum

With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is espera‑se to reach roughly $41 billion within the coming three years, with a compound annual growth rate of nearly 6%. This boom will allow for the further development and implementation of high-tech amorphous and film-based piezoelectric polymers in the modern world.

O que são Materiais Piezoelétricos?

Os materiais piezoelétricos nos permitem aproveitar a energia cinética, transformando força em carga elétrica.  Definida pela primeira vez pelos irmãos Curie em 1880, a piezoeletricidade tornou‑se um princípio fundamental explorado na tecnologia moderna.

A piezoeletricidade refere‑se à capacidade de uma substância produzir uma carga elétrica quando uma tensão mecânica é aplicada. Essa carga elétrica é produzida por assimetria forçada.  Em materiais piezoelétricos, cargas positivas e negativas são separadas entre si, permanecendo alinhadas em um padrão simétrico.  Quando a tensão mecânica é aplicada à substância, essa simetria é perdida, resultando na produção de uma carga elétrica.

fase beta do PVDF.

Outra propriedade única dos materiais é a natureza aleatória e a presença de domínios de Weiss (orientados magneticamente sem influência magnética externa).

Posteriormente, descobriu‑se que esses mesmos materiais demonstravam uma propriedade inversa direta ao efeito elétrico.  Verificou‑se que, se uma carga elétrica fosse aplicada ao material, ocorreria uma deformação mecânica repetível dentro do material.  Essa descoberta conferiu grande utilidade a esses materiais, pois essencialmente dobrou seus casos de uso potenciais.

Fabricantes e Inovadores

Antes de mergulharmos em exemplos de casos de uso reais, segue um trio de empresas líderes que utilizam materiais piezoelétricos em uma variedade de produtos essenciais na eletrônica moderna.
Notavelmente, analistas da Barron’s atualmente listam cada uma das ações a seguir como ‘over’ ou ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Listada na NYSE, a Stoneridge (SRI) viu suas ações aumentarem em valor ao longo do último ano em mais de 30 % no momento da escrita.  Embora a receita da Stoneridge tenha sido afetada durante o auge da COVID, 2021 registrou uma recuperação de quase 20 % para US$ 770 M.
Stoneridge emprega mais de 5 000 pessoas e opera no estado de Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Listada na NYSE, a Methode Electronics Inc. (MEI ) viu suas ações aumentarem em valor ao longo do último ano em quase 15 % no momento da escrita.  Nos últimos 4 anos, a Methode Electronics conseguiu continuar crescendo sua receita entre 2,36 % e 10,13 % a cada ano.  Em 2022, a receita ultrapassou US$ 1,16 B.
A Methode Electronics emprega mais de 7 000 pessoas e opera no estado de Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Listada na Nasdaq, a Kimball Electronics Inc. (KE ) viu suas ações aumentarem em valor ao longo do último ano em mais de 32 % no momento da escrita.  Enquanto as empresas citadas acima enfrentaram dificuldades de 2019‑2020, a Kimball Electronics conseguiu manter receitas crescentes continuamente.  Totalizando US$ 1,35 B em 2022, isso representa um aumento de 4,47 % em relação a 2021.
A Kimball Electronics emprega mais de 7 000 pessoas e opera no estado de Indiana.

Avanços Modernos

Tradicionalmente, substâncias piezoelétricas naturais eram usadas para demonstrar o efeito.  Mais comumente, o material escolhido era o quartzo.  Quando os limites das substâncias naturais foram alcançados, cerâmicas artificiais tornaram‑se a escolha popular.  Projetado em 1952, e ainda hoje uma das cerâmicas piezoelétricas mais populares, está o PZT (titânio zirconato de chumbo).  Contudo, com desvantagens como deformação limitada, fragilidade e alta densidade de massa, o PZT não é ideal para todas as aplicações.

Em 1964, o PVDF (polifluoreto de vinilideno) foi desenvolvido.  O PVDF possui uma estrutura semicristalina e gera cargas várias vezes maiores que o quartzo.  Embora esse polímero artificial tenha resolvido muitas das desvantagens do PZT, ele apresenta suas próprias – falhas piezoelétricas em altas temperaturas e degradação.  Com os recentes avanços tecnológicos e demandas crescentes, o PZT e o PVDF podem ter atingido seus limites.

No início dos anos 2000, institutos como o GAIKER‑IK4 começaram a desenvolver o que são conhecidos como polímeros piezoelétricos amorfos.  Ao utilizar uma estrutura amorfa, a substância pode suportar temperaturas muito mais altas.  Como os efeitos piezoelétricos não dependem da estrutura cristalina que se degrada em temperaturas elevadas, as estruturas amorfas resultam em um polímero muito mais robusto.

Esses polímeros amorfos estão sendo desenvolvidos porque oferecem níveis mais altos de deformação, grande redução de peso e maior robustez.  Ao alcançar isso, o campo de aplicações dos materiais agora permite a incorporação em dispositivos aeroespaciais e eletrônicos.  Com os novos polímeros e filmes piezoelétricos amorfos em desenvolvimento, a falha durante o uso ocorrerá em temperaturas de aproximadamente 150 °C ou mais.  A degradação da substância ocorrerá em torno de 400 °C.  Embora isso possa limitar seu uso em condições extremas, a grande maioria das aplicações se enquadra em uma faixa apropriada.

Como muitas novas substâncias, esses polímeros estão sendo desenvolvidos a partir do PVDF e do PVT como fundamentos.  Tentando manter os atributos positivos de cada material enquanto elimina o maior número possível de desvantagens.  Embora esses produtos sejam polímeros mais recentes, eles são modelados a partir dos modelos atualmente em uso.

Ao utilizar uma estrutura amorfa, testes extensivos devem ser realizados nas temperaturas ótimas de transição vítrea.  Esse valor está diretamente ligado à força das propriedades piezoelétricas que o material possuirá.  A estrutura amorfa demonstra e depende de ordem de curto alcance para produzir um efeito piezoelétrico, em vez da ordem de longo alcance observada em estruturas cristalinas.  Além disso, muitos estão optando por incorporar polimidas na estrutura dos materiais devido às suas propriedades mecânicas, dielétricas e térmicas, com as polimidas garantindo o polimento das moléculas independentemente de sua posição.

Casos de Uso

Aplicações passadas e atuais de materiais piezoelétricos incluem muitos itens discretos, como isqueiros, relógios de quartzo e até sistemas de gerenciamento de motor.  O uso mais comum atualmente seria em sensores e atuadores.  Embora materiais piezoelétricos adequados tenham sido aplicados nesses casos de uso, aplicações futuras exigem um material mais versátil.  Felizmente, os polímeros piezoelétricos em desenvolvimento são exatamente isso – versáteis.  Com avanços constantes em nossa compreensão da ciência dos materiais e sua capacidade de exibir efeitos inversos diretos, o número de aplicações nas quais podem ser usados continua a crescer.  Algumas aplicações presentes e potenciais futuras intrigantes incluem,

Eletrônicos Móveis e Vestíveis

Celulares alimentados por fala e dispositivos vestíveis.  Ao utilizar a pressão criada dentro do microfone devido às ondas sonoras, os polímeros piezoelétricos podem, esperançosamente, um dia gerar energia suficiente para usar o telefone.  Embora seja improvável que esse conceito elimine totalmente a necessidade de uma bateria tão cedo, ele cria a possibilidade de estender a vida útil da bateria em dispositivos inteligentes vestíveis de baixo consumo.
Vale notar que os materiais piezoelétricos têm sido usados em microfones por quase 100 anos até o momento.  Em vez de o objetivo final ser carregar um dispositivo, essas aplicações permitem a conversão de ondas sonoras em eletricidade para fins de gravação e reprodução de forma econômica.

Sistemas de Amortecimento

Outra aplicação é o uso de materiais piezoelétricos em sistemas de amortecimento.  Empresas como HEAD incorporaram essa ideia em suas raquetes de tênis e esquis, com o objetivo de absorver/amortecer vibrações.  Quando ocorre um impacto na raquete ou no esqui, o efeito recíproco é aproveitado ao enviar o sinal elétrico criado para um material inverso que fornece uma força oposta.  Isso resulta em um sistema de amortecimento eficaz.
Esse mesmo conceito está sendo aplicado à redução de ruído e vibração em carros, residências e ambientes de trabalho perigosos.  Um exemplo de tal ambiente seriam as fazendas de mineração de Bitcoin.  Não só as vibrações são prejudiciais ao equipamento eletrônico a longo prazo, como também há várias ocorrências de comunidades ao redor das quais essas operações ocorrem reclamando sobre o ruído e vibrações resultantes do uso de dispositivos ASIC.  Em muitos cenários semelhantes, atuadores baseados em piezo são usados como solução para amortecer cada um desses efeitos.  Com ondas sonoras sendo criadas em carros, casas e máquinas por materiais que reverberam, esse ruído também pode ser eliminado, ou ao menos reduzido, com métodos tradicionais como um material adesivo de amortecimento.  Esses materiais funcionam passivamente, porém são muito pesados e caros.  Eles normalmente atuam reduzindo a frequência de ressonância de um material.  Explorando as propriedades dos polímeros piezoelétricos resolve esse problema ao adotar a abordagem mais ativa e dinâmica descrita acima.

Soluções de Limpeza

Para demonstrar o quão versáteis são os casos de uso dos materiais piezoelétricos, considere o trabalho realizado por empresas como Solar PiezoClean.  Neste caso, a empresa está revestindo painéis solares com um filme piezoelétrico.  O objetivo é oferecer um meio de baixa manutenção para manter os painéis solares limpos – um fator crucial para garantir eficiência ótima.
Esse processo envolve a aplicação de uma carga elétrica ao filme, que então vibra em uma frequência e tom específicos, permitindo que poeira e sujeira simplesmente caiam com a ajuda da gravidade.  Isso significa economia de água e mão‑de‑obra, ao mesmo tempo que aumenta a longevidade e eficiência dos painéis revestidos.  Uma solução simples, porém engenhosa, para um problema que só cresce à medida que as instalações solares se tornam mais comuns.
Implementações mais comuns de materiais piezoelétricos dessa forma incluem dispositivos de limpeza ultrassônica, como limpadores de joias.

Aeroespacial

Anteriormente mencionamos o uso de materiais piezoelétricos no setor aeroespacial.  Aqui, aviões podem utilizar esses materiais para monitorar a integridade estrutural e os esforços por meio da medição das cargas elétricas produzidas – um caso de uso que pode permitir não apenas maior segurança, mas também maior eficiência, permitindo que engenheiros reduzam peso e reforcem estruturas onde necessário.
Ao sair da nossa atmosfera, atuadores piezoelétricos são usados em muitos satélites.  A capacidade de operar com precisão extrema permite que esses atuadores criem micro‑propulsores capazes de posicionar adequadamente os satélites.

Ferramentas Diagnósticas de Saúde

À medida que nossa capacidade de criar dispositivos cada vez menores melhora, agora utilizamos materiais piezoelétricos em várias ferramentas diagnósticas na área da saúde.  Um exemplo disso é o Ultrassom Intravascular (IVUS).  O IVUS é um processo que permite que pequenas sondas gerem imagens a partir do interior dos vasos sanguíneos.  Isso é feito por meio do uso de transdutores de ultrassom construídos com cristais piezoelétricos únicos.
Materiais piezoelétricos também são usados em certos equipamentos odontológicos.  Similar à solução de limpeza utilizada pela SolarClean descrita acima, esse equipamento depende de ondas ultrassônicas, produzidas ao aplicar uma corrente elétrica aos materiais piezoelétricos, para limpar/remover a placa dos dentes.

Sonar

Sistemas de Sonar (Navegação e Detecção por Som) podem ser usados para fornecer imagens ou para comunicação.  Exemplos de imagens incluem mapeamento topográfico de fundos oceânicos ou detectores de peixes do dia a dia.  Enquanto a comunicação pode ser alcançada por meio da criação de ondas sonoras.  Cada um desses processos é possibilitado pelo uso de transdutores piezoelétricos.
Apesar de ter sido desenvolvido há mais de 100 anos, o Sonar continua a desempenhar um papel importante hoje.  O exemplo mais recente e difundido disso seria sua implementação em carros autônomos, que normalmente utilizam uma combinação de Sonar, LIDAR e radar para rastrear e interpretar o ambiente ao redor.

Captação de Energia

Finalmente, uma aplicação muito intrigante seria a produção de energia em larga escala.  Polímeros piezoelétricos estão sendo desenvolvidos para serem instalados em áreas de alto tráfego, incluindo diversas fábricas, campos esportivos, estações de trem e muito mais ao redor do mundo.  Um pedaço de quartzo de 1 cm³ é capaz de gerar até 4.500 V de eletricidade quando é aplicada uma força de 175 lb.  Cada passo que atinge o chão nessas estações gera essa eletricidade, havendo potencial para aproveitar enormes quantidades diariamente – aumentando consideravelmente a eficiência e reduzindo os custos de eletricidade para o edifício.
Além do tráfego de pedestres, muitos imaginaram um futuro em que as vias rodoviárias sejam incorporadas com esses materiais, gerando eletricidade para alimentar postes de iluminação e sinalizações à medida que os carros exercem força física sobre eles.
Quando combinadas, tecnologias futuras como o carregamento sem fio de carros em desenvolvimento pela Electreon e superfícies energizadas por empresas como Pavegen deverão, esperançosamente, um dia permitir a redução do tamanho das baterias em veículos, proporcionando uma forma muito mais eficiente e limpa de manter veículos elétricos carregados.

Palavra Final

No geral, o potencial dos materiais piezoelétricos está apenas começando a ser percebido.  Os efeitos fotovoltaicos que tornam a energia solar possível foram descobertos em meados do século XIX e só agora estão se tornando práticos para uso generalizado.  Os materiais piezoelétricos não são diferentes, e à medida que a pesquisa e o desenvolvimento desses materiais avançam, aumentos de eficiência e durabilidade acompanham esse progresso.  Os avanços científicos modernos estão apenas agora nos permitindo perceber, ou ao menos compreender, o potencial total dessa fonte de energia, com os casos de uso listados aqui (geração de eletricidade, amortecimento de som, sonar, sensores, atuadores, etc.) sendo apenas uma seleção entre inúmeras possibilidades.