Piezoelettricità: dai fornelli all’energia rinnovabile

SINERGIA TRA STIMOLI MECCANICI E SEGNALI ELETTRICI: I MATERIALI PIEZOELETTRICI

La piezoelettricità è un fenomeno sfruttato fin dagli antichi greci, del quale però non si sapeva la provenienza. Anche a causa di una poco sviluppata strumentazione per lo studio dei materiali fino a metà ‘800, la piezoelettricità (parola che dal greco significa “comprimere”) è una proprietà scoperta relativamente di recente. Nel 1880 i fratelli Curie eseguirono numerosi studi sulla piroelettricità, cioè il rapporto tra differenza di temperatura e la corrente elettrica prodotta. A tal scopo usarono la tormalina, un minerale della famiglia dei silicati. La sensazionale scoperta fu che la piroelettricità fosse in realtà un caso particolare di un fenomeno più generale che coinvolgeva qualsiasi tipo di sollecitazione. Nello specifico evidenziarono come fosse evidente il fenomeno elettrico se il materiale avesse una struttura cristallina priva di centro di simmetria. Cos’è quindi l’effetto piezoelettrico?  La caratteristica di materiali solidi cristallini di deformarsi se ad essi è stata applicata una differenza di potenziale (effetto piezoelettrico inverso o motore); oppure, viceversa, la capacità di generare una corrente elettrica se sollecitati meccanicamente o termicamente (effetto piezoelettrico diretto o generatore), a seguito di una deformazione del reticolo cristallino (dell’ordine dei nanometri!).

Quali sono le proprietà fondamentali dei materiali piezoelettrici?

Questa caratteristica è tipica di materiali cristallini, ma non di materiali conduttori! Rimaniamo immediatamente stupiti da questa affermazione, ma vero è che la responsabilità di questo fenomeno va cercata a livello microscopico: l’esistenza di piccoli spostamenti di cariche, positive o negative, in strutture asimmetriche.  La piezoelettricità non potrebbe quindi andare di pari passo con la conduttività, tipica invece di materiali metallici aventi reticoli simmetrici e legami metallici a-direzionali. Per queste ragioni si annoverano tra i migliori materiali piezoelettrici quei materiali la cui struttura cristallina è polarizzabile. Infatti, se deformati, questi cristalli perdono la loro neutralità elettrica e possono generare una differenza di potenziale. Ciò accade in particolar modo lungo piani cristallografici ben precisi, per i quali la modifica dei dipoli permanenti  permette di chiudere un circuito elettrico generando una corrente. Prendendo ad esempio un cristallo di quarzo, composto da atomi di silicio e ossigeno in proporzione 1:2, i piani cristallografici suddetti presentano geometria esagonale. Questa può essere assimilata ad una anello in cui il centro di carica è neutro. Se il cristallo viene quindi deformato secondo uno dei due assi del piano passanti per il centro, il centro di carica si sposta verso l’alto o verso il basso. Il sistema è infatti privo di centro di simmetria, ad un atomo di silicio (parzialmente positivo) corrisponde uno di ossigeno (parzialmente negativo) dalla parte opposta del piano. Globalmente il cristallo risulterà a carica neutra nella zona centrale, mentre carico positivamente o negativamente sulle due facce opposte.

Materiali piezoelettrici di interesse

Non solo però materiali ceramici, ovvero materiali aventi legami ionici o ionico-covalenti, sono presenti tra i materiali piezoelettrici. Anche la classe dei polimeri semicristallini è stata studiata in tal senso poiché questi materiali presentano una migliore flessibilità e lavorabilità. Tutt’ora sono maggiormente presenti nei dispositivi in cui è utile trasformare energia meccanica in elettrica, proprio perché possono essere lavorati in forme più complesse rispetto ai materiali ceramici. Tra le categorie da considerare vi è certamente quella dei materiali compositi, sicuramente quella più innovativa e di maggiore interesse. Questa strategia tecnologica permette di coniugare le migliori proprietà delle diverse categorie di materiali unendo una matrice, nel nostro caso un polimero, e un rinforzo, spesso di natura ceramica. Alcuni esempi di materiali piezoelettrici sono:

• Piezoelettrici naturali: quarzo, tormalina, ossido di zinco
• Piezoelettrici dopo polarizzazione: ceramici (BaTiO₃  titanato di bario), compositi a matrice polimerica e rinforzo ceramico, polimeri (PVDF, polivinildenfluoruro)

Da notare l’assenza di un materiale tecnologicamente molto rilevante come il diamante (ottimo conduttore elettrico, il più duro esistente) nella lista di materiali piezoelettrici. Il motivo sta nella spiegazione data nello scorso paragrafo: il reticolo cristallino del diamante è altamente simmetrico e non presenta possibilità di polarizzazione locale… è composto da soli atomi di carbonio!

COME SFRUTTARE LA PIEZOELETTRICITÀ? LE APPLICAZIONI

I settori in cui questa proprietà è alla base del funzionamento di un dispositivo o di un oggetto sono davvero tanti. Basti pensare che sfruttiamo un piezoelettrico nelle nostre case tutti i giorni: il fornello da cucina. Quando sentiamo un rumore simile ad un forte ticchettio, per accendere il gas, stiamo sollecitando un piezoelettrico, il quale genera una scintilla sul candelotto che provoca l’accensione del fornello.. non era impazzito! La stessa cosa vale per un accendino, infatti lo sfregamento tra due materiali, di cui uno è il piezoelettrico, genera la differenza di potenziale necessaria ad accendere il fluido e creare la fiammella. In campo industriale possiamo suddividere i dispositivi in due macro categorie:

1. Sensori: effetto piezo-generatore
2. Attuatori: effetto piezo-motore

Un dispositivo può quindi funzionare da sensore, da attuatore …ma anche da entrambi!

La piezoelettricità alla base di molte tecnologie

Un esempio di dispositivo che funziona sia da sensore che da attuatore è il SONAR (sound navigation and ranging), un trasduttore idrofonico. Questo strumento permette alle imbarcazioni di inviare un segnale acustico nell’acqua (funzionamento da attuatore) al fine di trovare un oggetto o evitare un ostacolo. Il segnale riflette sull’oggetto e torna indietro dove viene letto (funzionamento da generatore) per conoscere la distanza relativa in funzione dell’intensità del segnale elettrico rilevato. Il tracciamento del fondale marino avviene proprio in questo modo.

Un’altra applicazione, a cui non si penserebbe, sono i nebulizzatori (usati per esempio in ambito biomedico). Le finissime goccioline di liquido sono prodotte grazie alla generazione di un’onda ultrasonora, che attraversa il liquido, da parte di un disco piezo-ceramico. Questa tecnologia pervade anche l’ambito sociale a tal punto che sono state create delle tastiere Braille per computer, per persone non vedenti. Ogni cella tattile è costituita da elementi piezoelettrici che si sollevano o si abbassano per creare rilievo e riprodurre il carattere da identificare e da scrivere. Inoltre il sistema segnala la posizione del cursore o altre caratteristiche utili alla scrittura.

La piezoelettricità per un futuro sostenibile

Sicuramente è da sottolineare l’impiego di questi materiali per la produzione di energia rinnovabile (energia green). Recenti sviluppi tecnologici hanno portato alcuni studiosi ad installare dei veri e propri “tappeti” in materiale piezoelettrico. La generazione di corrente elettrica avviene sfruttando semplicemente i passi della gente che ci cammina sopra! Più queste piastrelle di piezo-ceramico sono piccole e maggiore è l’efficienza di trasformazione dell’energia meccanica (pressione) in energia elettrica. Questo processo di produzione e accumulo di energia, ad uso immediato, è chiamato PEH (Piezoelectric Energy Harveting, letteralmente raccolta di energia piezoelettrica). Sfruttando l’effetto diretto della piezoelettricità, si eliminano problemi di cavi e batterie per le apparecchiature elettroniche. Inoltre la possibilità di miniaturizzare i componenti  piezoelettrici permette di avere pochissime perdite energetiche e una elevata densità di potenza accumulata rispetto a trasduttori elettrostatici o dispositivi elettromagnetici. Tutto ciò si traduce in una maggior facilità di installazione e manutenzione, maggior capacità di impiego in termini di spazio (occupando vaste aree pedonabili), per giunta non dipendente da clima e posizione geografica.

Il modo migliore per tenere il tempo!

L’orologio è uno strumento che, con il passare del tempo, si è evoluto molto. La storia vede infatti la costruzione di orologi meccanici, contenenti ingranaggi sempre più precisi, fino ad arrivare ai più moderni orologi a batteria. Ed ecco che entra in gioco la piezoelettricità. Con tale scoperta si abbandonò l’uso di un elettromagnete per dare spazio ad un piccolo cristallo di quarzo a forma di diapason (strumento usato in ambito musicale che ricorda una forchetta). Collegata alla batteria, questa piccola “forchetta” in quarzo vibra (effetto piezoelettrico inverso) ad una frequenza ben precisa definita proprio dalla distanza tra le sue due “braccia”: 32,768 kHz. Il cristallo continua a vibrare senza sosta in quanto la differenza di potenziale prodotta dalla sua oscillazione (effetto diretto) viene inviata ad un amplificatore e poi di nuovo alla “forchetta”. Ma come mai il cristallo deve vibrare proprio a 32,768 kHz? I motivi sono sostanzialmente due: non deve essere un suono udibile dall’uomo perché sarebbe molto fastidioso (>20 kHz) e deve essere una potenza di 2. In particolare quest’ultima ragione è spiegata dal fatto che il circuito elettronico dell’orologio lavora in sistema binario: 1 o 0, acceso o spento. Di conseguenza servono esattamente 15 componenti detti “flip-flop” (2^15 = 32768) per generare l’esatto ticchettio di un secondo. Il primo di questi passerà dallo stato 1 a 0, e viceversa,  per 32768 volte, il secondo per l’esatta metà e così via fino ad arrivare al quindicesimo. Questo darà l’impulso per il movimento di un sistema di ingranaggi che farà ruotare le lancette dei secondi e poi dei minuti e delle ore dei nostri orologi, oppure ad uno schermo LCD che visualizza in tempo reale il trascorrere del tempo.

Nel mondo dei materiali piezoelettrici non ci si annoia mai!

Abbiamo capito che per accendere il piano cottura abbiamo bisogno di un materiale particolare, un piezoelettrico. Possiamo però dire che questa proprietà è molto trasversale! Infatti anche in ambito musicale i materiali piezoelettrici sono usati nei pick-up delle chitarre elettriche per modulare i suoni; oppure nel settore automobilistico come sensori di distanza nei sistemi di sicurezza o nella micro-fabbricazione di dispositivi elettronici come i transistor… verso un futuro sempre più tecnologico!