Malzeme Bilimi
Piezoelektrik Polimerler – Titreşimlerden ve Yapısal Gerilimlerden Ücretsiz Enerji Elde Etmek
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Araştırmacılar bir ekip, stres uygulandığında elektrik üreten, kalsojenid perovskit bileşiğiyle doldurulmuş bir polimer film geliştirdi. Bu olgu, piezoelektrik etkisi olarak bilinir; yani belirli malzemelerin mekanik stres uygulandığında elektrik yükü üretme yeteneğidir.
Piezoelektrik etki, kristal yapısal simetriye sahip olmayan malzemelerde ortaya çıkar. Kristaller, seramikler, polimerler ve kemik, DNA ve çeşitli proteinler gibi biyolojik maddeler, farklı tipte piezoelektrik malzemelerdir.
Bu tür malzemeler, mekanik titreşimlerle ilişkili enerjiyi toplama potansiyeline sahiptir. Bu enerji biçiminin en güzel yanı, çevremizde bol miktarda bulunması ve doğası gereği yenilenebilir olmasıdır.
Ancak, en son araştırma notları‘na göre, en iyi performans gösteren piezoelektrik malzemeler genellikle kurşun (Pb) elementini içerir; bu da kanser, beyin tümörü riskinin artması ve DNA onarımını engelleme gibi sorunlara yol açabilir.
Kurşun içeren malzemeler tehlikelidir ve düzenleyiciler çevreyi korumak amacıyla kullanımını sınırlamışlardır.
Göreceli düşük erime noktasına sahip, ağır, dövülebilir ve doğal olarak bulunan bir metal olan kurşunun toksisitesi göz önüne alındığında, bu metal malzemeler ve cihazlardan giderek daha fazla çıkarılmaktadır.
Bu nedenle, ekibin hedefi, doğada yaygın olarak bulunan elementler kullanılarak ucuz bir şekilde üretilebilen, kurşunsuz bir malzeme geliştirmekti.
Bu yüzden, Rensselaer Politeknik Enstitüsü (RPI) ekibi, sadece kurşun içermeyen değil, aynı zamanda yüksek performans gösteren birkaç malzemeden biri olan bir malzemeyi kullandı. Bu da onu biyomedikal uygulamalar, makineler ve altyapı için mükemmel bir aday yapıyor.
Ekibin kullandığı kurşunsuz malzeme, piezoelektrik özellik gösteren kalsojenid perovskit ailesine aittir. Çalışmada kullanılan bileşim BaZrS3’tür ve belirgin bir piezoelektrik yanıt verdiği rapor edilmiştir.
Kalsojenid perovskitler son zamanlarda büyük ilgi ve ilerleme görmektedir. Bu bileşik ailesi, düşük toksisite, yüksek stabilite, doğrudan bant boşlukları, iyi taşıyıcı taşıma yetenekleri ve güçlü ışık absorpsiyonu gibi birçok avantajlı özelliğe sahip perovskit yapılarıyla ilişkilidir.
Bu özellikler, perovskitleri fotovoltaik, fotodetektör, ışık yayan cihazlar ve fotokatalizör gibi uygulamalarda gerçekten öne çıkarmaktadır.
İlginç bir şekilde, yüksek performanslı piezoelektrik malzemelerin çoğu merkezsimetrik değildir ve bu nedenle özünde yüksek kutuplaşabilirlik gösterir. Ancak, çalışmada kullanılan dahil olmak üzere birçok oksit perovskit, merkezsimetrik kristal yapıya sahiptir ve saf formunda zayıf bir piezoelektrik özelliğe sahiptir. Bu bileşikler aslında kutupsuzdur çünkü doğal olarak net bir dipol momentine sahip değildirler.
Dipol moment, piezoelektrik malzemelerin stres altında nasıl davrandığının bilimsel adıdır; bu, malzemedeki pozitif ve negatif iyonların ayrılmasına neden olan bir deformasyondur. Bu dipol moment, kullanılabilir ve elektrik akımına dönüştürülebilir.
Ancak net bir dipol momenti olmadan ekip piezoelektrikliği nasıl elde etti? Şey, kalsojenid perovskit yapısındaki gevşek paketlemeyi kullanarak sorunu aştılar.
Teknolojiyi Yeşil Enerji Uygulamaları İçin Ölçeklendirme
En son çalışma, merkezsimetrik olmalarına rağmen, kurşunsuz kalsojenid perovskit malzemelerinin deformasyona uğradıklarında çok hızlı bir şekilde kutuplaşabildiğini detaylandırıyor. Bu, çok sayıda boşluk içeren gevşek paketlenmiş bir birim hücreye bağlıdır.
Bu önemli miktarda boşluk, iyonların geniş bir yer değiştirmesine olanak tanır; bu da simetrinin azalmasına ve yer değiştirme aracılı dipol momentinin artırılmasına yol açar.
Ekip, malzemenin piezoelektrikliğini doğrulamak için BaZrS3 üzerinde piezoresponse kuvvet mikroskopisi (PFM) gerçekleştirdi.
PFM, çeşitli malzemelerin nanometre ölçeğindeki elektromechanik özellikleri hakkında sunduğu benzersiz bilgiler nedeniyle tanınan fonksiyonel bir atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) modelidir.
Ekibe göre, kalsojenid perovskit malzemesindeki yapısal simetri, stres altında kolayca kırılabilir ve bu da geliştirilmiş bir piezoelektrik yanıtı tetikler. Bu doğrulandıktan sonra ekip, BaZrS3 parçacıklarını polikaprolakton içinde dağıtarak kompozitler geliştirdi.
Sentezlenen yeni malzeme baryum, zirkonyum ve kükürt içerir; bu bileşenler daha sonra insan vücudu hareketinden enerji toplamak ve elektrokimyasal ve elektronik cihazları beslemek için kullanıldı.
Ekip, malzemenin elektrik üretme yeteneğini koşma, yürüme, parmakları tıklatma ve alkış gibi vücut hareketlerine maruz bırakarak test etti. Deney sırasında üretilen elektrik, LED bankalarını çalıştırmak ve RPI harflerini oluşturmak için yeterli bulundu.
“Bulgularımız ve bunların yeşil enerjiye geçişi destekleme potansiyeli bizi heyecanlandırıyor ve cesaretlendiriyor.”
– Nikhil Koratkar, Çalışma ortak yazarı
Malzeme, ona göre, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürüyor. Koratkar’a göre:
“Uygulanan basınç yükü ne kadar büyük ve basıncın uygulandığı yüzey alanı ne kadar geniş olursa, etki o kadar büyük olur.”
Ekip tarafından oluşturulan enerji toplama filmi sadece 0,3 milimetre kalınlığındadır ve titreştiklerinde veya araçların üzerinden geçtiklerinde elektrik üretecek şekilde binalar ve otoyollar gibi çeşitli makineler, cihazlar ve yapılarla bütünleştirilebilir.
Ekip tarafından yapılan testler, teknolojinin bisikletçiler veya koşucular tarafından takılan, kaskları aydınlatan veya onları daha görünür kılan bir cihaz gibi çok çeşitli şekillerde faydalı olabileceğini de göstermektedir.
Bununla birlikte, şu anda sadece bir kavram kanıtıdır. Ekip, bu tür bir malzemenin ölçekli olarak uygulanmasını “nihayetinde görmek” ve enerji üretiminde gerçekten bir fark yaratmasını umuyor, dedi Koratkar.
Şimdi, sonraki adımlarda araştırmacılar, daha güçlü bir piezoelektrik etki gösteren bir malzeme bulmak için kalsojenid perovskit bileşiklerinin tüm ailesini inceleyecekler. Bunun için ekip, yapay zeka (AI) ve makine öğrenimi (ML) kullanacak.
“Sürdürülebilir enerji üretimi geleceğimiz için hayati öneme sahiptir,” dedi RPI Mühendislik Okulu dekanı Shekhar Garde, Ph.D., RPI ekibinin malzeme keşfindeki çabalarını alkışlayarak, bu çabaların “küresel bir sorunu çözmeye yardımcı olabileceğini” belirtti.
Piezoelektriğin Dönüştürücü Etkisi
Piezoelektrik, ilk olarak 1880’de Jacques ve Pierre Curie tarafından tanımlanmış ve bugün bu olgu gerçek dünya uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrik ve mekanik enerjiyi doğrudan dönüştürme yetenekleri, onları enerji toplama cihazları gibi uygulamalar için son derece çekici kılar.
Piezoelektriğin en yaygın örneklerinden biri elektrikli çakmaklardır. Bir düğmeye bastığınızda, yay kolu piezoelektrik kristallere çarpar ve bu mekanik stres bir elektrik akımı oluşturur; bu akım daha sonra bir alev olarak gazı tutuşturur. Piezoelektriğin örneklerini günlük hayatınızda her yerde bulabilirsiniz.
Önceki makalemizde detaylandırdığımız gibi, piezoelektrik aslında modern teknolojide kullanılan temel bir prensip haline gelmiştir; cep telefonları ve giyilebilir cihazlardan, sönümleme sistemleri ve temizlik çözümlerine, uzay, sonar, sağlık tanı araçları ve aktüatörlere kadar geniş bir yelpazede kullanılmaktadır.
Geniş kullanım alanı göz önüne alındığında, bu alanda çeşitli ilerlemeler kaydedilmiştir. Her şey, yaklaşık yarım yüzyıl önce popüler piezoelektrik seramik PZT (kurşun zirkonyum titanat) ve ardından 1964’te Poliviniliden Florür (PVDF) geliştirilmesiyle başladı.
O zamandan beri araştırmacılar, piezoelektrik cihazların verimliliğini ve çok yönlülüğünü artırmak için yeni malzemeler ve teknolojiler geliştirmeye çalışıyorlar. Önemli bir odak noktası, yukarıda bahsedilen çalışmada gördüğümüz gibi kurşun toksisitesi konusundaki artan endişeler nedeniyle PZT gibi kurşun bazlı seramiklere çevre dostu alternatifler yaratmaktır.
Araştırmacılar, kurşunun zararlı çevresel etkisi olmadan piezoelektrik özellikler sunan baryum titanat (BaTiO₃) ve potasyum sodyum niobat (KNN) gibi malzemeleri araştırmaktadır.
Ayrıca, PVDF ve onun kopolimerleri gibi polimer bazlı piezoelektrik malzemelerdeki ilerlemeler, bu malzemelerin akıllı tekstiller, sensörler ve tıbbi implantlar içine entegrasyonunu mümkün kılmıştır.
Piezoelektrik polimerler, içsel esneklikleri ve uyumları nedeniyle enerji toplama için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir; bu özellikleri, cihazın giyilebilir cihazlara entegre edilmesi için çok fazla bükülmesi gereken uygulamalara uygun kılar.
Giyilebilir elektronik, geleneksel katı elektroniğin yeniliğini temsil eder ve sağlık, enerji, sinirbilim, metaverse ve sürdürülebilirlik alanlarında devrim niteliğinde çözümler sunar. Bu cihazlarda piezoelektriğin kullanılması, şirketlerin sık şarj ve pil ihtiyacını azaltmasını sağlar; bu da kullanıcılara taşınabilir bir cihazın rahatlığını ve artırılmış güvenliği sunar.
Nanoteknolojideki son gelişmeler, daha küçük boyutlarda artırılmış performans sunan nanoyapılı piezoelektrik malzemelerin yaratılmasını da mümkün kılmıştır.
Örneğin, kuantum noktacıkları, nanotel ve grafen, piezoelektrik sistemlerin duyarlılığını ve verimliliğini önemli ölçüde artırma potansiyelleri nedeniyle incelenmektedir; bu da onları esnek elektronik ve bir sonraki nesil görüntüleme teknolojileri gibi uygulamalarda gerçekten faydalı kılar.
Piezoelektrik malzemelerdeki tüm bu yenilikler, çeşitli endüstrilerde yeni olasılıkların önünü açtı ve bu ilerlemeler devam ettikçe, piezoelektrik malzemeler için küresel pazarın önemli bir büyüme yaşaması bekleniyor.
Önümüzde Büyük Bir Büyüme
Küresel piezoelektrik malzeme pazarına gelince, 2024’te 1,52 milyar dolardan 2032’de 2,19 milyar dolara büyümesi bekleniyor.
Elektronik ve otomotiv gibi kritik son kullanım endüstrilerinin sınırlı faaliyetleri, piezoelektrik malzemelere olan talebi kritik şekilde etkilerken, COVID-19, oksimetre, pirometre, elektronik termometre ve otomatik ventilatör gibi ekipmanlara talepte bir artışa yol açtı; bu ekipmanlar piezo malzemeleri bir enerji formunu diğerine dönüştürmek için kullanır. Bu da kriz sırasında bu malzemelere olan talebi etkiledi, rapor Piezoelektrik Malzemeler Pazarında belirtildi.
Bölgesel olarak, özellikle ABD pazarı, elektronik, BT ve telekom sektörlerinin artan üretimiyle yönlendirilen, önümüzdeki sekiz yılda tahmini 248,48 milyar dolar değerine ulaşarak önemli ölçüde büyümesi öngörülüyor. Ülkenin kapsamlı uzay keşif programı da bu büyümeye katkıda bulunacak.
Bu arada, Asya-Pasifik pazarının büyüklüğü 0,99 milyar dolar olup, 2023’te %68,28 pazar payına sahiptir. Bu hâkimiyet, Asya-Pasifik’in elektronik ve tüketim malları için bir üretim merkezi olarak ortaya çıkması ve Çin, Japonya, Tayvan, Hindistan ve Güney Kore’nin üretim kapasitelerini genişletmeye odaklanması nedeniyle oluşmuştur.
Latin Amerika’daki piezoelektrik malzeme pazarı henüz başlangıç aşamasındayken, Orta Doğu ve Afrika’da bölgenin genişleyen sağlık ve elektronik endüstrileri nedeniyle artan talep gözlemlenmiştir.
Uygulama açısından, piezoelektrik malzeme pazarı sensörler, rezonatörler, jeneratörler ve transformatörler, aktüatörler, transdüserler, SONAR, akustik cihazlar, motorlar ve diğerleri olarak segmentlere ayrılmıştır.
Bunlar arasında, sensör bölümü, teknolojinin tüketici elektroniği, üretim hatları ve otomatik araçlar dahil olmak üzere birçok alanda uygulanması nedeniyle önemli bir CAGR ile genişlemesi öngörülmektedir.
Bu arada, sistem tarafından gönderilen elektrik sinyallerini kontrol amacıyla mekanik enerjiye dönüştüren ve belirli bir eylemi gerçekleştirmek için kullanılan aktüatörlerin, robotik kollar, endüstriyel işleme araçlarının hassas kontrolü ve araç frenleme ve hızlanma sistemlerindeki uygulamaları sayesinde piezoelektrik malzeme pazarının en büyük payını alması beklenmektedir.
Mikrodalga fırınlar, televizyonlar, çamaşır makineleri ve uzaktan kumandalı oyuncaklar gibi piezo malzemeleri bu ürünlerin kontrolü ve çalışması için kullanan tüketim malları, küresel pazarda liderliğini sürdürmesi bekleniyor. Geride kalan ise, istikrarlı bir CAGR ile büyümesi öngörülen otomotiv endüstrisidir.
Piezoelektrik Teknolojileri Kullanan Şirketler
Şimdi, bu alanda ilerleme kaydeden şirketlere gelince, MEMS hoparlörlerinde piezoelektrik etkisini kullanan USound ve piezo aktüatör, jeneratör ve transformatörler geliştiren Noliac’ı görüyoruz.
Kinetic Ceramics, piezoelektrik aktüatörler, piezoelektrik valfler, katı hal pompaları, hassas işleme, akıllı sistemler ve hareket kontrol sistemleri gibi uzmanlık alanlarına sahip bir diğer şirkettir.
Amphenol Corporation’ın Piezo Teknolojileri (APH ) ayrıca piezoelektrik seramik malzemeleri ve ultrasonik transdüserlerde uzmanlaşmıştır. Ürünleri ayrıca uzay, savunma, otomotiv, ulaşım ve inşaat mühendisliğinde kullanılan cihazlar, montajlar ve sistemleri içerir.
CTS Corporation (CTS ) piezoelektrik ürünleri med-tech, uzay ve endüstri sektörlerinde üretmektedir. 1,43 milyar dolarlık piyasa değerine sahip şirketin hisseleri şu anda 47,21 dolardan işlem görmekte, yılbaşından bu yana %7,93 artış göstermektedir (YTD). EPS (TTM) 1,77 ve P/E (TTM) 26,66’dır, ayrıca %0,34 temettü getirisi ödemektedir.
CTS Fiyat Grafiği
L3Harris Technologies
Bu şirket, hava, uzay, kara, deniz ve siber alanları birleştiren uçtan uca teknoloji çözümleri sunar. Ayrıca, askeri sonar ve akustik, tıbbi görüntüleme, kanser tedavisi ve enerji toplama alanlarında çeşitli uygulamalar için piezoelektrik seramik şekilleri tasarlar. L3Harris, hem askeri hem de ticari müşteriler için PZT, PT ve PMN malzemeleri dahil yüksek performanslı piezoelektrik seramikler formüle etmede 70 yılı aşkın malzeme bilimi uzmanlığına sahiptir.
Şirketin piezoelektrik seramik toz formülasyonları uniform, yüksek performanslı, ince taneli ve yüksek yoğunluklu olup, transdüserler ve kanser tedavisi, ilaç dağıtımı, görüntüleme ve yara bakımı gibi alanları destekleyen son derece özelleştirilmiş malzemeler dahil geniş bir kullanım yelpazesi için uygundur. L3Harris’tan piezoelektrik seramikler, aksi takdirde atılacak basınç veya titreşimden enerji toplar; böylece kablosuz sensör ağları için güç sağlayarak bataryalara bağımlılığı azaltmaya yardımcı olur.
LHX Fiyat Grafiği
Yazı yazıldığı sırada, LHX hisseleri 248,15 dolardan işlem görmekte ve bu yıl %17,82 artış göstermiştir; bu da piyasa değerini 47 milyar dolar yapmaktadır. Şirketin EPS (TTM) 6,25 ve P/E (TTM) 39,72 iken %1,87 temettü getirisi ödemektedir. L3Harris Technologies (LHX ) önümüzdeki günlerde 2024 Q3 finansal sonuçlarını açıklayacak, 2Q24 için ise şirket rapor etti 4,5 milyar dolar gelir, %13 artış ve işletme marjı %9.
“Müşterilerimize ve hissedarlarımıza değer sunan operasyonel mükemmeliyete bağlılığımızı ve yürütmeye yönelik amansız odaklanmamızı yansıtan, geliştirilmiş marjlarla birlikte bir başka güçlü çeyrek finansal sonuçlar sunduk.”
– CEO Christopher E. Kubasik
Sonuç
Trafik tarafından beslenen sokak lambalarından, binanın aydınlatmasını sağlayabilen zeminlere ve bir aracı şarj eden lastiklere kadar, piezoelektrik malzemeler temiz enerji sektörünü devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir. Ancak, bu malzemeler de zorluklardan muaf değildir; bu nedenle kurşunsuz piezoelektrik malzemelerin geliştirilmesi önemlidir.
Kalsojenid perovskitler gibi bu yeni malzemeler, sürdürülebilir enerji toplama teknolojilerinde önemli bir ilerlemeyi işaret ediyor. Düşük toksisiteleri, yüksek stabiliteleri ve stres altındaki artırılmış piezoelektrik yanıtları sayesinde, piezoelektrik malzemelerin potansiyelini gerçekten hayata geçirebilir ve enerji üretimini devrim niteliğinde değiştirebilirler. Araştırmacılar bu yeni malzemeleri yapay zeka kullanarak keşfetmeye devam ettikçe, bu alan biyomedikal cihazlar, altyapı ve giyilebilir teknoloji alanlarında sürdürülebilir bir şekilde yeniliklerin yolunu açabilir.
