V tej objavi na blogu si bomo ogledali delovanje piezoelektričnih materialov in primere njihove uporabe v vsakdanjem življenju, da bi razumeli, zakaj ta tehnologija pritegne pozornost kot prihodnji okolju prijazen vir energije.

Osnovni principi piezoelektričnih materialov

Na spodnji fotografiji piha rahel vetrič. Trava na travniku se ziblje v vetriču, med travo pa se ziblje tudi edinstveno drevo. Na drevo so priključene žice, te žice pa so priključene na baterijo, ki ga polni. Ni močnega vetra ali zapletenih strojev, vendar drevo proizvaja elektriko. To drevo se imenuje »piezo drevo«. Načelo, kako to piezo drevo proizvaja elektriko, izhaja iz »piezoelektrike«.
Piezoelektričnost izhaja iz grške besede 'piezein', ki pomeni 'pritisniti'. Elektrika pomeni elektrika, zato lahko piezoelektričnost razlagamo kot 'elektriko, proizvedeno s stiskanjem'. Z drugimi besedami, piezoelektričnost je pojav, pri katerem se elektrika ustvarja, ko se nanjo izvaja mehanska sila ali deformacija, predmeti s to lastnostjo pa se imenujejo piezoelektrični materiali. Nasprotno pa, ko se na piezoelektrični material izvaja elektrika, pride do mehanske deformacije, ki se imenuje 'sekundarni piezoelektrični učinek' ali 'obratni piezoelektrični učinek'.

Odkritje in zgodovina piezoelektričnih materialov

Piezoelektrični učinek sta leta 1880 prvič odkrila Pierre Curie in Jacques Curie. Brata sta eksperimentalno dokazala, da se v nekaterih materialih kot odziv na temperaturne spremembe ustvarjajo električni signali. Naslednje leto, leta 1881, je Gabriel Lippmann matematično izpeljal ta pojav, bratoma Curie pa je uspelo aritmetično izračunati električne spremembe v piezoelektričnih kristalih.
Do leta 1910 so bili piezoelektrični kristali glede na lastnosti materiala razvrščeni v približno 20 vrst, na podlagi te klasifikacije pa so bile izpeljane piezoelektrične konstante, ki kažejo na stopnjo piezoelektričnega učinka materialov.

Načelo piezoelektričnega učinka

Piezoelektrični učinek povzročajo električni dipoli znotraj materiala. Večina materialov je električno nevtralnih, nekateri pa imajo pozitivne in negativne naboje, ki so rahlo zamaknjeni in tvorijo električne dipole. Ko so ti električni dipoli izpostavljeni mehanski sili, se kristalna struktura spremeni, kar povzroči spremembo električnega polja. Ta strukturna sprememba povzroči piezoelektrični učinek.

Vrste piezoelektričnih materialov

Materiali s piezoelektričnimi lastnostmi se nahajajo na različnih področjih, kot so kovine, keramika in polimeri. Najbolj znan je material, imenovan svinčev cirkonat titanat (PZT), ki ima kristalno strukturo, sestavljeno iz kovine, kisika, cirkonija ali titana. Ko se osrednji atom premakne zaradi zunanje sile, tvori električni dipol, ki povzroči piezoelektrični učinek.
Med polimeri ima poliviniliden fluorid (PVDF) tudi piezoelektrične lastnosti. V primerjavi s kovinami in keramiko so polimerni materiali lahki in enostavni za obdelavo, kar ponuja širok spekter uporabe. Vendar pa imajo slabost, da so manj trpežni, zato potekajo raziskave za izboljšanje tega.

Uporaba piezoelektričnih materialov

Piezoelektrični materiali se pogosto pojavljajo v vsakdanjem življenju. Najbolj reprezentativen primer so električni vžigalniki. Ko pritisnemo vzmetni gumb na vžigalniku, majhno kladivo v notranjosti udari po piezoelektričnem materialu in ustvari iskro, ki vžge plin v vžigalniku. Drug primer so senzorji. Piezoelektrični materiali lahko pretvorijo zvočne valove v električne signale in se uporabljajo v mikrofonih in opremi za nedestruktivno testiranje za medicinsko uporabo.

Nove raziskave in potencialne aplikacije piezoelektričnih materialov

V zadnjem času so se potencialne uporabe piezoelektričnih materialov razširile na različna področja. Pričakuje se, da bodo piezoelektrični materiali igrali pomembno vlogo pri nosljivih napravah in napravah interneta stvari (IoT). Pametna oblačila in dodatki, ki uporabljajo piezoelektrične materiale, lahko pretvorijo majhne vibracije, ki jih ustvarja uporabnikova telesna dejavnost, v elektriko za polnjenje ali delovanje senzorjev in naprav z nizko porabo energije. Razvija se na primer tehnologija za polnjenje pametnih ur in naprav za spremljanje zdravja z uporabo vibracij, ki nastanejo med vadbo.
Poleg tega lahko piezoelektrični materiali igrajo pomembno vlogo v sistemih za spremljanje okolja. Senzorji, opremljeni s piezoelektrično tehnologijo za proizvodnjo energije, lahko delujejo delno trajno brez zunanjega vira energije in se lahko uporabljajo pri odkrivanju gozdnih požarov in onesnaženosti zraka. Takšne tehnologije so lahko okolju prijazna rešitev, ki lahko deluje neprekinjeno na območjih z omejenimi energetskimi viri, hkrati pa preprečuje naravne nesreče.
Raziskave piezoelektričnih materialov bodo imele pomembno vlogo pri izboljšanju trajnosti in energetske učinkovitosti ter naj bi v prihodnosti pokazale svoj potencial v številnih drugih aplikacijah.

Omejitve in prihodnost piezoelektričnih materialov

Piezoelektrični materiali imajo omejitve, zaradi katerih niso primerni za proizvodnjo energije v velikem obsegu, kot sta sončna ali vetrna energija. Vendar pa imajo velik potencial na področjih, kot je napajanje majhnih elektronskih naprav in senzorjev. Pričakuje se, da bodo piezoelektrični materiali postali osrednja tehnologija za pametna mesta in avtomatizirane sisteme.
Trenutno aktivno potekajo raziskave za razvoj torb in čevljev, ki uporabljajo piezoelektrične materiale za polnjenje pametnih telefonov s človeškim gibanjem, in ko bodo te tehnologije komercializirane, se bodo začele širše uporabljati v vsakdanjem življenju.