Un nuevo material cerámico convierte vibraciones en energía eléctrica

Las vibraciones generadas por pasos en pistas de baile, máquinas de ejercicio o motores de vehículos contienen una gran cantidad de energía potencial. Varias empresas tecnológicas ya comenzaron a aprovechar estas vibraciones para generar electricidad, utilizando materiales cerámicos piezoeléctricos que emiten cargas eléctricas al ser pisados o manipulados.

Recientemente, un equipo de científicos de materiales de la Universidad Estatal de Pensilvania amplió estos esfuerzos iniciales al mejorar la estructura y química de un material piezoeléctrico hecho de niobato de potasio y sodio, conocido como KNN. Los nuevos ejemplares cerámicos son térmicamente estables, resistentes a la fatiga, menos densos y ofrecen un rendimiento competitivo en comparación con los materiales piezoeléctricos a base de plomo existentes.

Este trabajo, publicado en la revista Small, podría ayudar a reemplazar los materiales tóxicos a base de plomo que se utilizan actualmente en aplicaciones piezoeléctricas. "Las vibraciones mecánicas están en todas partes, producidas por personas o motores", afirmó Aman Nanda, autor principal y estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Podemos colocar un recolector de energía piezoeléctrico debajo de pistas de baile y pasillos, o debajo de puentes y estacionamientos, para cosechar la energía de esas fuentes mecánicas. Debido al diseño liviano de nuestro material KNN, también podríamos incluirlo en aeronaves, lo que no era posible anteriormente con materiales a base de plomo, para aprovechar las vibraciones durante los vuelos, incluso a grandes altitudes".

Los recolectores de energía tienen un diseño de viga en voladizo, donde un elemento rígido está fijado en un extremo y no está sujeto en el otro. Dado que los materiales cerámicos son frágiles, se requiere un cuidado especial y diseños de dispositivos para aplicarlos en aplicaciones reales que manejen el estrés mecánico.

Cuando se presiona, el voladizo vibra y genera electricidad a través del efecto piezoeléctrico del material, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Para reemplazar el plomo y producir una cerámica piezoeléctrica más liviana, los investigadores modificaron sistemáticamente la estructura y química del KNN. Primero, añadieron un material magnético, el manganeso, a su composición química. Luego, ajustaron el crecimiento de granos, o el tamaño de los cristales individuales dentro de la microestructura, mediante tratamiento térmico.

El profesor Mike Lanagan, coautor correspondiente y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, comentó: "Aman optimizó el material con elementos específicos para mejorar las propiedades. Estos materiales han existido durante un tiempo en términos de química, pero él ha realizado un trabajo considerable para mejorar las químicas al cambiar la composición y los procedimientos de síntesis, como experimentar con diferentes tiempos de calor, temperaturas y estructuras del material".

Mientras que los granos típicamente crecen de manera aleatoria en todas las direcciones, los investigadores utilizaron calor y enfoques de fabricación específicos para controlar el crecimiento de los granos, de modo que todos crecieran en una dirección similar. "Con el rango de temperatura de síntesis adecuado, logramos un crecimiento unidireccional de los granos", explicó Nanda. "Esto resultó en propiedades funcionales mejoradas, como la resistencia mecánica y la tenacidad, en la dirección de la alineación de los granos, así como una mejor respuesta piezoeléctrica".

Este fue el primer material piezoeléctrico libre de plomo que mostró un rendimiento competitivo en comparación con los materiales a base de plomo, según los investigadores, basándose en una comparación de la cantidad de voltaje generado a partir de una vibración mecánica. En pruebas de laboratorio, el material KNN mejorado cosechó una cantidad similar de energía que un material convencional a base de plomo.

Como próximo paso, los investigadores probarán y explorarán los posibles usos del material. Además de la recolección de energía, el equipo indicó que el nuevo material podría utilizarse en sensores que detecten peso, ondas sonoras, posición, presión del aire y luz.

"Dado que los materiales libres de plomo son biocompatibles, nuestro nuevo material basado en KNN también abre la posibilidad de integrar los dispositivos fabricados con estos materiales en aplicaciones biomédicas, como marcapasos autoalimentados o dispositivos de estimulación neural", concluyó Bed Poudel, coautor correspondiente y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State.