V tomto blogovém příspěvku se podíváme na to, jak piezoelektrické materiály fungují, a na příklady jejich použití v každodenním životě, abychom pochopili, proč tato technologie přitahuje pozornost jako budoucí ekologický zdroj energie.

Základní principy piezoelektrických materiálů

Na fotografii níže vane jemný vánek. Tráva na louce se ve vánku pohupuje a mezi trávou se pohupuje i unikátní strom. Ke stromu jsou připojeny dráty a tyto dráty jsou připojeny k baterii, která ho nabíjí. Nefouká silný vítr ani nejsou zde složité stroje, ale strom vyrábí elektřinu. Tento strom se nazývá „piezo strom“. Princip, na kterém tento piezo strom generuje elektřinu, vychází z „piezoelektřiny“.
Piezoelektřina je odvozena z řeckého slova „piezein“, které znamená „tlačit“. Electric znamená elektřina, takže piezoelektřinu lze interpretovat jako „elektřinu vyrobenou tlakem“. Jinými slovy, piezoelektřina je jev, kdy se elektřina vytváří při působení mechanické síly nebo deformace, a předměty s touto charakteristikou se nazývají piezoelektrické materiály. Naopak, když se na piezoelektrický materiál aplikuje elektřina, dochází k mechanické deformaci, která se nazývá „sekundární piezoelektrický jev“ nebo „reverzní piezoelektrický jev“.

Objev a historie piezoelektrických materiálů

Piezoelektrický jev poprvé objevili v roce 1880 Pierre Curie a Jacques Curie. Bratři experimentálně dokázali, že v některých materiálech vznikají elektrické signály v reakci na změny teploty. Následující rok, 1881, Gabriel Lippmann tento jev matematicky odvodil a bratři Curieovi uspěli v aritmetickém výpočtu elektrických změn v piezoelektrických krystalech.
Do roku 1910 byly piezoelektrické krystaly klasifikovány do asi 20 typů na základě jejich materiálových vlastností a na základě této klasifikace byly odvozeny piezoelektrické konstanty, které udávají stupeň piezoelektrického efektu materiálů.

Princip piezoelektrického jevu

Piezoelektrický jev je způsoben elektrickými dipóly uvnitř materiálu. Většina materiálů je elektricky neutrální, ale některé materiály mají kladné a záporné náboje, které jsou mírně nevyrovnané a tvoří elektrické dipóly. Když jsou tyto elektrické dipóly vystaveny mechanické síle, změní se krystalová struktura, což způsobí změnu elektrického pole. Tato strukturální změna způsobuje piezoelektrický jev.

Druhy piezoelektrických materiálů

Materiály s piezoelektrickými vlastnostmi se nacházejí v různých oblastech, jako jsou kovy, keramika a polymery. Nejznámější je materiál zvaný olovnato-zirkoničitan titaničitý (PZT), který má krystalovou strukturu složenou z kovu, kyslíku, zirkonia nebo titanu. Když se centrální atom pohybuje v důsledku vnější síly, vytváří elektrický dipól, který způsobuje piezoelektrický jev.
Mezi polymery má piezoelektrické vlastnosti také polyvinylidenfluorid (PVDF). Ve srovnání s kovy a keramikou jsou polymerní materiály lehké a snadno zpracovatelné, což nabízí širokou škálu použití. Jejich nevýhodou je však menší odolnost, a proto stále probíhá výzkum, který by ji mohl zlepšit.

Aplikace piezoelektrických materiálů

Piezoelektrické materiály se běžně vyskytují v každodenním životě. Nejreprezentativnějším příkladem jsou elektrické zapalovače. Když se stiskne pružinové tlačítko na zapalovači, malé kladívko uvnitř udeří do piezoelektrického materiálu a vygeneruje jiskru, která zapálí plyn v zapalovači. Dalším příkladem jsou senzory. Piezoelektrické materiály dokáží převádět zvukové vlny na elektrické signály a používají se v mikrofonech a nedestruktivních testovacích zařízeních pro lékařské účely.

Nový výzkum a potenciální aplikace piezoelektrických materiálů

V poslední době se potenciální aplikace piezoelektrických materiálů rozšířily do různých oblastí. Zejména se očekává, že piezoelektrické materiály budou hrát důležitou roli v nositelných zařízeních a zařízeních IoT (internet věcí). Chytré oblečení a doplňky využívající piezoelektrické materiály dokáží přeměnit nepatrné vibrace generované fyzickou aktivitou uživatele na elektřinu pro nabíjení nebo provoz nízkoenergetických senzorů a zařízení. Vyvíjí se například technologie pro nabíjení chytrých hodinek a zařízení pro sledování zdraví pomocí vibrací generovaných během cvičení.
Piezoelektrické materiály mohou navíc hrát významnou roli v systémech monitorování životního prostředí. Senzory vybavené piezoelektrickou technologií generování energie mohou fungovat polotrvale bez externího zdroje energie a lze je použít v senzorech pro detekci lesních požárů a znečištění ovzduší. Takové technologie mohou být ekologickým řešením, které může fungovat nepřetržitě v oblastech s omezenými energetickými zdroji a zároveň předcházet přírodním katastrofám.
Výzkum piezoelektrických materiálů bude hrát důležitou roli ve zlepšování udržitelnosti a energetické účinnosti a očekává se, že v budoucnu prokáže svůj potenciál v mnoha dalších aplikacích.

Omezení a budoucnost piezoelektrických materiálů

Piezoelektrické materiály mají svá omezení, která je činí nevhodnými pro velkovýrobu energie, jako je solární nebo větrná energie. Mají však velký potenciál v oblastech, jako je napájení malých elektronických zařízení a senzorů. Zejména se očekává, že se piezoelektrické materiály stanou klíčovou technologií pro chytrá města a automatizované systémy.
V současné době aktivně probíhá výzkum zaměřený na vývoj tašek a bot, které využívají piezoelektrické materiály k nabíjení chytrých telefonů prostřednictvím lidského pohybu, a jakmile budou tyto technologie komerčně dostupné, stanou se širšími v každodenním životě.