Ciência dos materiais
Polímeros Piezoelétricos – Aproveitando Vibrações e Tensões Estruturais para Energia Gratuita
Adicione Securities.io às suas fontes preferidas no Google
Uma equipe de pesquisadores criou um filme de polímero preenchido com composto perovskita calcogeneto que gera eletricidade quando submetido a esforço. Esse fenômeno é conhecido como efeito piezoelétrico, que é simplesmente a capacidade de certos materiais de gerar uma carga elétrica quando uma tensão mecânica é aplicada.
O efeito piezoelétrico ocorre em materiais que carecem de simetria estrutural cristalina. Cristais, cerâmicas, polímeros e matéria biológica como osso, DNA e várias proteínas são diferentes tipos de materiais piezoelétricos.
Esses materiais têm o potencial de coletar a energia relacionada a vibrações mecânicas. O melhor dessa forma de energia é que ela está presente ao nosso redor em abundância e é renovável por natureza.
No entanto, conforme as notas de pesquisa mais recentes, materiais piezoelétricos com melhor desempenho tendem a conter o elemento químico chumbo (Pb), que pode causar câncer, aumentar o risco de tumores cerebrais e dificultar a reparação do DNA.
Materiais que contêm chumbo são perigosos, e os reguladores restringiram seu uso para proteger o meio ambiente.
Dada a toxicidade do chumbo, que é um metal pesado, maleável, naturalmente presente, com ponto de fusão relativamente baixo, ele está sendo progressivamente eliminado de materiais e dispositivos.
Portanto, o objetivo da equipe foi criar um material livre de chumbo e que pudesse ser produzido de forma econômica usando elementos comumente encontrados na natureza.
Assim, a equipe do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) utilizou um material que não só não contém chumbo, mas também é um dos poucos de alto desempenho. Portanto, ele é um ótimo candidato para aplicações biomédicas, máquinas e infraestrutura.
O material livre de chumbo usado pela equipe pertence à família dos perovskitas calcogenetos que exibem piezoeletricidade. BaZrS3 foi a composição utilizada no estudo, que se relata ter uma resposta piezoelétrica pronunciada.
Os perovskitas calcogenetos têm recebido muita atenção e avanços recentemente. Essa família de compostos está relacionada às estruturas perovskita, que possuem diversas propriedades favoráveis, como baixa toxicidade, alta estabilidade, lacunas diretas, boa capacidade de transporte de portadores e forte absorção de luz.
Essas propriedades fazem com que os perovskitas se destaquem em aplicações como fotovoltaicos, fotodetectores, dispositivos emissores de luz e fotocatalisadores.
Curiosamente, a maioria dos materiais piezoelétricos de alto desempenho são não-centrosimétricos e, portanto, exibem polarizabilidade intrinsecamente alta. No entanto, muitos perovskitas de óxido, incluindo o usado no estudo, apresentam uma estrutura cristalina centrosimétrica, que é fracamente piezoelétrica em sua forma pura. Esses compostos são, na verdade, não-polares porque carecem intrinsecamente de um momento dipolar neto.
O momento dipolar é o termo científico para a forma como os materiais piezoelétricos se comportam sob tensão, que é a deformação de modo que íons positivos e negativos no material se separam. Esse momento dipolar pode ser aproveitado e convertido em corrente elétrica.
Mas sem um momento dipolar neto, como a equipe conseguiu a piezoeletricidade? Bem, eles aproveitam o empacotamento frouxo dentro da estrutura do perovskita calcogeneto para superar o problema.
Escalando a Tecnologia para Aplicações de Energia Verde
O estudo mais recente detalha que, apesar de serem centrosimétricos, os materiais perovskita calcogenetos livres de chumbo tornam-se polarizáveis muito rapidamente quando são deformados. Isso se deve a uma célula unitária de empacotamento frouxo, que possui muito espaço vazio.
Esse volume significativo de espaço vazio permite um deslocamento ampliado dos íons, o que, por sua vez, reduz a simetria e resulta em um momento dipolar amplificado mediado pelo deslocamento.
A equipe realizou uma microscopia de força de resposta piezoelétrica (PFM) em BaZrS3 para confirmar a piezoeletricidade do material.
A PFM é um modelo funcional de microscopia de força atômica (AFM) que tem sido reconhecido pelas informações únicas que oferece sobre as propriedades eletromecânicas de vários materiais em escala nanométrica.
A simetria estrutural no material perovskita calcogeneto, segundo a equipe, pode ser facilmente quebrada sob tensão, o que leva a uma resposta piezoelétrica aprimorada. Assim, uma vez confirmada, a equipe desenvolveu compósitos de partículas de BaZrS3 dispersas em policaprolactona.
O novo material sintetizado contém bário, zircônio e enxofre, que foram então usados para captar energia do movimento do corpo humano e alimentar dispositivos eletroquímicos e eletrônicos.
A equipe testou a capacidade do material de gerar eletricidade submetendo-o a movimentos corporais como correr, caminhar, bater os dedos e bater palmas. A eletricidade produzida durante o experimento foi suficiente para alimentar bancos de LEDs, formando a sigla RPI.
Estamos entusiasmados e encorajados pelos nossos achados e seu potencial para apoiar a transição para a energia verde.
– Nikhil Koratkar, coautor do estudo
O material, segundo ele, converte energia mecânica em energia elétrica. De acordo com Koratkar:
Quanto maior a carga de pressão aplicada e maior a área de superfície sobre a qual a pressão é aplicada, maior será o efeito.
O filme de captação de energia criado pela equipe tem apenas 0,3 milímetros de espessura e pode ser integrado a várias máquinas, dispositivos e estruturas como edifícios e rodovias para produzir eletricidade quando vibram ou quando veículos passam sobre eles.
Os testes realizados pela equipe também demonstram que a tecnologia pode ser útil de inúmeras maneiras, incluindo em um dispositivo usado por ciclistas ou corredores que ilumina capacetes ou sinalizações para torná-los mais visíveis.
Dito isso, atualmente, é apenas uma prova de conceito. A equipe espera “eventualmente ver esse tipo de material implementado em escala, onde realmente possa fazer diferença na produção de energia”, disse Koratkar.
Agora, nos próximos passos, os pesquisadores irão analisar toda a família de compostos perovskita calcogenetos para encontrar um material que apresente um efeito piezoelétrico mais potente. Para isso, a equipe utilizará inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML).
“A produção de energia sustentável é vital para o nosso futuro”, disse Shekhar Garde, Ph.D., reitor da Escola de Engenharia da RPI, enquanto elogia os esforços da equipe da RPI na descoberta de materiais que, segundo ele, “podem ajudar a resolver um problema global”.
O Impacto Transformador da Piezoeletricidade
A piezoeletricidade foi identificada pela primeira vez por Jacques e Pierre Curie em 1880 e, hoje, o fenômeno é amplamente utilizado em aplicações reais. Sua capacidade de converter diretamente energia elétrica e mecânica os torna altamente atraentes para aplicações como dispositivos de captação de energia.
Um dos exemplos mais comuns de piezoeletricidade são os isqueiros elétricos. Ao pressionar um botão, a alavanca da mola atinge cristais piezoelétricos, e essa tensão mecânica cria uma corrente elétrica, que então se transforma em chama para inflamar o gás. Você pode encontrar exemplos de piezoeletricidade em toda a sua vida cotidiana.
Como detalhamos em nosso artigo anterior, a piezoeletricidade tornou-se, na verdade, um princípio fundamental usado na tecnologia moderna, variando de celulares e dispositivos vestíveis, sistemas de amortecimento e soluções de limpeza até aeroespacial, sonar, ferramentas de diagnóstico de saúde e atuadores.
Dada sua ampla utilização, vários avanços ocorreram nessa área. Tudo começou com o desenvolvimento da popular cerâmica piezoelétrica PZT (titânio zirconato de chumbo) há cerca de meio século e, posteriormente, do fluoropolímero de vinilideno (PVDF) em 1964.
Desde então, os pesquisadores têm trabalhado no desenvolvimento de novos materiais e tecnologias para melhorar a eficiência e versatilidade dos dispositivos piezoelétricos. Um foco importante tem sido criar alternativas ecologicamente corretas às cerâmicas à base de chumbo como o PZT, devido às crescentes preocupações sobre a toxicidade do chumbo, como vimos no estudo mencionado acima.
Os pesquisadores têm explorado materiais como titanato de bário (BaTiO₃) e niobato de potássio e sódio (KNN) para isso, que oferecem propriedades piezoelétricas sem o impacto ambiental nocivo do chumbo.
Além disso, os avanços em materiais piezoelétricos baseados em polímeros, como o PVDF e seus copolímeros, permitiram sua integração em têxteis inteligentes, sensores e implantes médicos.
Os polímeros piezoelétricos têm sido amplamente investigados para captação de energia devido à sua flexibilidade e conformidade intrínsecas, o que os torna adequados para aplicações onde o dispositivo precisa sofrer muitas flexões para ser integrado a dispositivos vestíveis.
Eletrônicos vestíveis representam a inovação dos eletrônicos rígidos tradicionais, oferecendo soluções revolucionárias em saúde, energia, neurociência, metaverso e sustentabilidade. O uso da piezoeletricidade nesses dispositivos permite que as empresas reduzam a necessidade de recargas frequentes e baterias, oferecendo aos usuários a conveniência de um dispositivo portátil juntamente com maior segurança.
Desenvolvimentos recentes em nanotecnologia também possibilitaram a criação de materiais piezoelétricos nanostruturados, que oferecem desempenho aprimorado em tamanhos reduzidos.
Por exemplo, pontos quânticos, nanofios e grafeno estão sendo estudados por seu potencial de melhorar significativamente a sensibilidade e eficiência dos sistemas piezoelétricos, o que os torna realmente benéficos em aplicações como eletrônicos flexíveis e tecnologias de imagem de próxima geração.
Todas essas inovações em materiais piezoelétricos abriram novas possibilidades em várias indústrias e, à medida que esses avanços continuam, o mercado global de materiais piezoelétricos está preparado para experimentar um crescimento significativo.
Um Crescimento Massivo à Frente
No que diz respeito ao mercado global de materiais piezoelétricos, espera-se que ele cresça de US$ 1,52 bilhão em 2024 para US$ 2,19 bilhões até 2032.
Embora as operações restritas de indústrias finais cruciais, como os setores eletrônico e automotivo, tenham impactado criticamente a demanda por materiais piezoelétricos, a COVID-19 provocou um aumento na demanda por equipamentos como oxímetros, pirômetros, termômetros eletrônicos e ventiladores automáticos, que utilizam materiais piezoelétricos para converter uma forma de energia em outra. Isso então afetou a demanda por esses materiais durante a crise, observou o relatório sobre o Mercado de Materiais Piezoelétricos.
Regionalmente, o mercado dos EUA, em particular, está projetado para crescer significativamente, atingindo um valor estimado de US$ 248,48 bilhões nos próximos oito anos, impulsionado pela crescente produção dos setores de eletrônicos, TI e telecomunicações. O extenso programa de exploração espacial do país também contribuirá para esse crescimento.
Enquanto isso, o tamanho do mercado da Ásia‑Pacífico representa US$ 0,99 bilhão, com uma participação de mercado de 68,28% em 2023. Essa dominação se deve ao fato de a Ásia‑Pacífico emergir como um polo de fabricação de eletrônicos e bens de consumo, com China, Japão, Taiwan, Índia e Coreia do Sul focando na expansão de suas capacidades de produção.
Embora o mercado de materiais piezoelétricos na América Latina esteja em sua infância, tem-se observado um aumento da demanda no Oriente Médio e na África devido à expansão das indústrias de saúde e eletrônicos na região.
Em termos de aplicação, o mercado de materiais piezoelétricos está segmentado em sensores, resonadores, geradores e transformadores, atuadores, transdutores, SONAR, dispositivos acústicos, motores e outros.
Entre esses, a divisão de sensores está projetada para expandir a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) substancial devido à aplicação da tecnologia em múltiplos campos, incluindo eletrônicos de consumo, linhas de fabricação e veículos autônomos.
Enquanto isso, os atuadores, que convertem sinais elétricos enviados pelo sistema em energia mecânica para controle a fim de executar uma ação específica, devem representar a maior participação de mercado de materiais piezoelétricos, impulsionados por sua aplicação em braços robóticos, controle de precisão de ferramentas de usinagem industrial e sistemas de frenagem e aceleração de veículos.
Bens de consumo como micro-ondas, TVs, máquinas de lavar e brinquedos controlados remotamente, que utilizam materiais piezoelétricos para controlar e operar esses produtos, devem manter sua liderança no mercado global. Atrás deles está a indústria automotiva, que está projetada para crescer a um CAGR estável.
Empresas que Utilizam Tecnologias Piezoelétricas
Agora, no que diz respeito às empresas que avançam nesse campo, temos a USound, cujos alto-falantes MEMS utilizam o efeito piezoelétrico, e a Noliac, que desenvolve atuadores piezo, geradores e transformadores.
A Kinetic Ceramics é outra empresa cujas especialidades incluem atuadores piezoelétricos, válvulas piezoelétricas, bombas de estado sólido, usinagem de precisão, sistemas inteligentes e sistemas de controle de movimento.
Piezo Technologies da Amphenol Corporation (APH ) também se especializa em materiais cerâmicos piezoelétricos e transdutores ultrassônicos. Seus produtos também incluem dispositivos, conjuntos e sistemas usados em aeroespacial, defesa, automotivo, transporte e engenharia civil.
CTS Corporation (CTS ) fabrica produtos piezoelétricos nos setores de tecnologia médica, aeroespacial e industrial. As ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 1,43 bilhão, estão atualmente sendo negociadas a US$ 47,21, alta de 7,93% no ano (YTD). Ela possui um EPS (TTM) de 1,77 e um P/E (TTM) de 26,66, enquanto paga um rendimento de dividendos de 0,34%.
CTS Gráfico de preços
L3Harris Technologies
Esta empresa fornece soluções tecnológicas de ponta a ponta que conectam os domínios aéreo, espacial, terrestre, marítimo e cibernético. Também projeta formas cerâmicas piezoelétricas para várias aplicações nos campos de sonar e acústica militar, imagem médica, terapia contra o câncer e captação de energia. A L3Harris possui mais de 70 anos de expertise em ciência dos materiais na formulação de cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho, incluindo materiais PZT, PT e PMN para clientes militares e comerciais.
As formulações de pós cerâmico piezoelétrico da empresa são uniformes, de alto desempenho, de grão fino e alta densidade, o que as torna adequadas para uma ampla gama de usos, incluindo transdutores e materiais altamente personalizados que apoiam tratamento de câncer, entrega de medicamentos, imagens e cuidados com feridas. As cerâmicas piezoelétricas da L3Harris captam energia de pressão ou vibração que de outra forma seria desperdiçada, ajudando a reduzir a dependência de baterias ao fornecer energia para redes de sensores sem fio.
LHX Gráfico de preços
No momento da redação, as ações da LHX estavam sendo negociadas a US$ 248,15, alta de 17,82% neste ano até agora, o que coloca sua capitalização de mercado em US$ 47 bilhões. Com isso, o EPS (TTM) da empresa é 6,25 e o P/E (TTM) é 39,72, enquanto paga um rendimento de dividendos de 1,87%. Embora a L3Harris Technologies (LHX ) vá divulgar seus resultados financeiros do terceiro trimestre de 2024 nos próximos dias, para o 2T24, a empresa relatou uma receita de US$ 4,5 bilhões, um aumento de 13%, enquanto sua margem operacional foi de 9%.
Entregamos mais um trimestre forte de resultados financeiros com margens aprimoradas, refletindo nosso compromisso com a excelência operacional e um foco incansável na execução que entrega valor aos nossos clientes e acionistas.
– CEO Christopher E. Kubasik
Conclusão
Desde postes de iluminação alimentados pelo tráfego até pisos capazes de energizar a iluminação de edifícios e pneus que carregam veículos, os materiais piezoelétricos têm o potencial de revolucionar o setor de energia limpa. No entanto, mesmo esses materiais não estão isentos de desafios, daí o desenvolvimento de materiais piezoelétricos livres de chumbo.
Esses novos materiais, como os perovskitas calcogenetos, representam um avanço significativo nas tecnologias sustentáveis de captação de energia. Com sua baixa toxicidade, alta estabilidade e resposta piezoelétrica aprimorada sob tensão, eles podem ajudar a realmente concretizar o potencial dos materiais piezoelétricos e revolucionar a geração de energia. E à medida que os pesquisadores continuam a explorar esses novos materiais utilizando IA, esse campo pode abrir caminho para inovações em dispositivos biomédicos, infraestrutura e tecnologia vestível de forma sustentável.
