Piezoelektrizitate

Piezoelektrizitatea material solido batzuetan (kristala, zenbait zeramika, DNA, hezur eta zenbait proteina moduko materia biologikoa) metatzen den karga elektrikoa da aplikatutako esfortzu mekaniko bati erantzuteko. Piezoelektrizitate hitzak bero latentearen eta presioaren ondoriozko elektrizitatea esan nahi du. Πιέζειν hitz greziarrean jatorria du; piezein, zeina presionatzea eta estutzea esan nahi duena, eta ἤλεκτρον ēlektron, anbarra esan nahi duena, karga elektrikoaren iturri zaharra dena.http://www.perseus.tufts.edu/hopper/text?doc=Perseus:text:1999.04.0057:entry=h)/lektron  Jacques eta Pierre Curie fisikari frantziarrak piezoelektrizitatea aurkitu zuten 1880an.

Efektu piezoelektrikoa inbertsio-simetriarik ez duen material kristalinoen egoera mekaniko eta elektrikoen interakzio elektromekaniko linealetik ateratzen da. Prozesu itzulgarria da: efektu piezoelektrikoa erakusten duten materialak (aplikatutako indar mekanikoaren ondoriozko karga elektrikoaren barneko sorkuntza) ere alderantzizko efektu piezoelektrikoa dute, hots, aplikatutako eremu elektrikoaren ondoriozko deformazio mekanikoaren barne sorkuntza. Adibidez, berun titanato zirkonato kristalek piezoelektrizitate neurgarria sortuko dute, hauen egitura estatikoa jatorrizko dimentsioen %0’1 inguru deformatzen denean. Aitzitik, kristal horiek berak, dimentsio estatikoen %0’1a aldatuko dute kanpo eremu elektriko bat aplikatzen denean. Efektu piezoelektriko inbertsioa, soinu-uhin ultrasonikoen ekoizpenean erabiltzen da.

Piezoelektrizitatea erabilgarriak diren aplikazio askotan gehiegi erabiltzen da, hala nola soinuaren detekzio eta produkzioan, tinta injekziozko inprimatze piezoelektrikoan, boltaje altuko sorkuntzan, maiztasun elektronikoen sorkuntzan, mikrobalantzetan, injektore ultrasonikoa eta multzo optikoko fokatze ultramehea bultzatzeko. Erresoluzio atomikoa, esplorazio zunda mikroskopiak STM, AFM MTA eta SNOM moduko teknika zientifiko instrumentaleko sailaren oinarria osatzen du. Eguneroko erabileran aurkitzen dira, sutze iturri bezala zigarroen pizgailuetarako, abiatze azkarreko propano barbakoetarako, kuartzozko erlojuetan denbora erreferentziaren iturri bezala, gitarra batzuen anplifikazio-pastilletan eta gehiengo bateria elektroniko berrien kliskagailuetan.

 Historia 

 Aurkikuntza eta lehenengo ikerketak 
XVIII. mendearen erdialdean, efektu piroelektrikoa deskribatu zuten Carl Linnaeus-ek eta Franz Aepinus-ek. Euren aurkikuntzean oinarrituz, René Just Haüy-k eta Antoine César Becquerel-ek esfortzu mekanikoaren eta karga elektrikoaren arteko erlazioa proposatu zuten, baina hori frogatzeko esperimentuetatik ez zen ondorio argirik atera.

1880. urtean, efektu piezoelektrikoaren lehen frogapen zuzena burutu zen, Pierre eta Jacques Curie anaien eskutik  . Horretan, efektu piroelektrikoa eta hura sortzeko gai diren kristal-egituren buruzko informazioa konbinatu zituzten, kristalek izan zezaketen portaera aurresateko asmoz . Efektu piezoelektrikoa turmalinan, topazioan, azukre-kanabera kristaletan, kuartzoan eta Rochelle gatzean behatu zuten, azken bi hauetan batez ere.

Hala ere, Curie anaiek ez zuten alderantzizko efektu piezoelektrikoa aurresan. Alderantzizko efektua matematikoki ondorioztatu zen Gabriel Lippmann-en funtsezko termodinamika printzipioetatik 1881ean. Curie anaiek, alderantzizko efektuaren existentzia egiaztatu zuten berehala eta kristal piezoelektrikoen deformazio elektroelastiko mekanikoen proba kuantitatiboak lortu zituzten.
Hurrengo hamarkadetan, piezoelektrizitatea laborategiko kuriositate espezie bat izaten jarraitu zuen, nahiz eta radio eta polonioarentzako ezinbesteko aurkikuntza izan zen 1898an Pierre eta Marie Curie-gatik. Piezoelektrizitatea erakusten zuten egitura kristalinoak definitzeko eta aztertzeko lan gehiago egin zen. Hau 1910ean gailendu zen Woldemar Voigt idatzitako Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalen fisikari buruzko liburua) liburuaren argitalpenari esker, non piezoelektrizitatea izateko gai duten kristal naturalen 20 klase deskribatu zuen eta tentsio analisia erabiliz konstante piezoelektrikoak definitu zituen zorrozki.

 Lehen Mundu Guda eta gudaostea 
Gailu piezoelektrikoen lehenengo aplikazio praktikoa sonarra izan zen, Lehen Mundu Gudan zehar lehen aldiz garatuta. Frantzian 1917an, Paul Langevin eta bere lankideak itsaspeko detektagailu ultrasonikoa garatu zuten. Detektagailua transduktore batez osatuta zegoen, altzairuzko bi plaken artean arretaz itsatsitako kuartzozko kristal mehez eginda eta hidrofono bat itzulitako oihartzuna detektatzeko. Maiztasun altuko pultsu bat transduktoretik emititzean eta objektu batean errebotatzen duten soinu uhinen oihartzuna entzutea eramaten duen denbora neurtuz, objektuaren distantzia kalkulatu daiteke.

Piezoelektrizitatea sonarrean erabiltzeak eta proiektu horren arrakastak, garapen interes bizia sortu zuten gailu piezoelektrikoen garapenean. Hurrengo hamarkadetan, material piezoelektriko berriak eta material horietarako aplikazio berriak aztertu eta garatu zituzten.

Gailu piezoelektrikoak etxebizitzak aurkitu zituzten hainbat eremutan. Zeramikazko fonografo kartutxoek, erreproduzitzailearen diseinua sinplifikatu zuten, merkeagoak eta zehatzagoak ziren eta disko-jogailua merkeagoak izan zitezela eta baita errazagoak eraikitzeko egiten zuten. Transduktore ultrasonikoaren garapenak, baimendu zuen fluido eta solidoen biskositatearen eta elastizitatea neurtzea erraza izatea, materialen ikerketan aurrerapen itzela izanik. Denboraren domeinuaren erreflektometro ultrasonikoak (material batean zehar pultsu ultrasonikoa bidaltzen duena eta etenaldiak dituztenak islak neurtzeko) metal urtu eta harrien objektuen barruan akatsak aurki lezakete, egituren segurtasuna hobetuz.

 Bigarren Mundu Guda eta gudaostea 
Bigarren Mundu Gudan, Ipar Amerikar, Errusiar eta Japoniarrak ziren ikerketa talde burujabeek material sintetiko mota berri bat aurkitu zuten, material ferroelektrikoak, alegia. Hauen berezitasuna material naturalek baino konstante piezoelektriko askoz handiagoak erakusten zituztela zen. Honegatik, oso ikerketa sakonak eraman ziren aurrera bario titanatoz eta zirkonato titanatoz egindako material ezberdinen produkziorako.

Kristal piezoelektrikoen adibide aipagarrienetariko bat Bell Telephone Laborategiek produzitutakoa da. Lehenengo Mundu Gerra ostean, Frederick R. Lack-ek, erradiotelefonikan lan egiten zuenak, “AT cut” kristala ekoiztu zuen, tenperatura oso ezberdinetan funtzionamendu aproposa erakusten zuelarik. Kristal honek ez zuen material pisutsuz egindako material osagarririk, eta beraz, hegazkinetarako oso erabilgarria izan zen. Abantaila honi esker, aliatuen aireko indarrek eraso masibo asko eraman zituzten aurrera, abiazio irratia erabili baitzuten hauen koordinaziorako.

Dispositibo piezoelektrikoen ekoizpena AEBetan sekretuan mantendu zen hasieran, guda garaia zela eta, baita patenteen lorpena bermatzeko. Nahiz eta ekoiztutako lehenengo materialak kuartzozko kristalak izan, ikerlari iparramerikarrek eraginkorragoak ziren produktuak bilatzen jarraitu zuten. Bi arrazoi hauek direla medio, Ipar Amerikan industria piezoelektrikoa ez zen asko garatu, sekretuan egindako ikerketei buruz ezer jakinik, material piezoelektrikoak merkaturatzeko zailak baitziren.

Bestalde, Japonian industria piezoelektrikoa oso azkar garatu zen. Japoniar ekoizleek lortutako informazioa partekatzen zutenez, helmuga eta merkatu berriak agertu ziren material hauen inguruan. Isaac Kogak tenperatura ezberdinetan egonkorra zen kristala ekoitzi zuen. Honetaz gain, patenteek eratutako zailtasunik gabe, oso modu merkean garatu zen Japoniako industria piezoelektrikoa. Bertan ekoiztutako material garrantzitsuenen artean irratientzako eta telebistentzako iragazki piezozeramikoak, zirkuitu elektronikoetara elkartu daitezkeen txirrinak eta soinu transduktoreak eta pizgailu piezoelektrikoa, motore txikientzako txinpartak eratu ditzakeena, disko zeramiko baten konpresioaren ondorioz. Hauekin batera, soinu-uhinak airetik transmititu zitzaketen transduktore ultrasonikoen garapena aipatzea dago, nahiz eta aurretik funtzio hau betetzen zuten materialak nahiko denbora luzez merkatuan egon. Garapen honen arrazoi nagusiena lehenengo telebisten urrutiko kontroletan oinarritu zen. Gaur egun, batez ere auto berrietan ekolokaziorako dispositiboak eratzeko erabiltzen dira. Hauek gidaria laguntzen dute bere autoa eta beste objektuen arteko distantzia determinatzen.

 Mekanismoa 
Efektu piezoelektrikoen natura solidoen momentu dipolar elektrikoen agerpenarekin estuki erlazionatuta dago. Azken hau ioien bitartez induzitu daiteke sare kristalinoa duten lekuetan karga asimetrikoko inguruekin (BaTiO3 eta PZT bezala) edo talde molekularren bitartez garraia daiteke (kanabera-azukrea bezala). Dentsitatea edo polarizazio dipolarra (dimentsionaltasuna [ C·m / m3]) kristaletarako kalkulatu daiteke modu erraz batean batuz bolumen gela unitario kristalografikoaren momentu dipolarrak kalkulatzen dira. Dipolo bakoitza bektore bat denez, P dipoloaren dentsitatea, eremu bektoriala da. Haien artean hurbil dauden dipoloak lerrokatzeko joera dute Weiss domeinuak izeneko eskualdeetan. Domeinuak normalean ausaz orientaturik daude, baina poling prozesua erabiliz (poling magnetikoaren ezberdina dena) lerrokatu daiteke, zeina eremu elektriko sendo bat material batean zehar ezartzen den, normalean tenperatura altuak erabiliz. Material piezoelektriko guztiak ezin dira polarizatu.

Garrantzi erabakigarriko efektu piezoelektrikoa P polarizazioaren aldaketa du esfortzu mekanikoa aplikatzen denean. Hau gertatu litzakete dipoloaren ingurune eragilearen birkonfigurazioarengatik edo dipolo molekularren momentuen birbideratzeagatik kanpoko esfortzuaren eraginez. Piezoelektrizitatea bere norabideko edo bietako polarizazio indarraren aldaketa moduan azaldu daiteke eta ezaugarriak hauen mende daude:  1. kristal barruko P orientazioa; 2. simetria kristalinoa; eta 3. ezarritako esfortzu mekanikoa. P-ren aldaketa kristalaren aurpegietan dauden gainazaleko kargaren dentsitatearen aldaketa moduan agertzen da, hau da, kanpo elektrikoaren aldaketa bat zeina aurpegietan zehar zabaltzen den, masan dentsitate dipolarraren aldaketa baten eraginez. Adibidez 1cm3-ko kuartzo kubo bat zuzenki emandako 2kN (500lbf) indarrarekin 12500V-ko tentsioa produzi dezake.

Material piezoelektrikoak aurkako efektua erakusten dute ere, alderantzizko efektu piezoelektrikoa deiturikoa, non eremu elektrikoaren eragina, kristalean deformazio mekanikoa eratzen duen.

 Kristal motak 
32 kristal klaseetatik, 21 ez dute simetria zentrorik, eta hauetako 20k zuzeneko piezoelektrizitatea erakusten dute (21a, 432 klase kubikoa da). Hauetako 10 kristal polarren klasea azaltzen dute, zeina esfortzu mekaniko gabeko berezko polarizazioa duten, gela unitarioarekin erlazionatuta dagoen eta piroelektrizitatea erakusten duen deuseztatzen ez den momentu dipolar elektriko baten ondorioz. Momentu dipolarra inbertitu badaiteke kanpo eremu elektriko bat aplikatuz, materiala ferroelektrikoa dela esaten da.

 Kristal polar motak: 1, 2, m, mm2, 4. 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
 Kristal piezoelektriko motak: 1, 2, m, 222, mm2, 4, 4, 422, 4mm, 42m, 3, 32,3m, 6, 6, 622, 6mm, 62m, 23, 43m.

Kristal polarretan, zeinetan P ≠ 0 mantentzen bada karga mekanikoa aplikatu gabe, efektu piezoelektrikoa P-ren magnitudea, norabidea edo biak aldatzean agertzen da.

Beste alde batetik, apolarrak baina piezoelektrikoak diren kristaletan, P polarizazio bat eratzen da zeroren ezberdina dena, karga mekaniko bat aplikatuz. Horretarako, imajina daiteke ez polarra den kristal klase bat, polarra den kristal batera transformatzeko erabiltzen den esfortzua.

 Materialak 
Sintetikoak edo naturalak diren material askok, piezoelektrizitatea erakusten dute:

 Kristal naturalak 

 Kuartzoa (SiO2)
 Berlinita (AlPO4), fosfato mineral arraroa zeina kuartzoaren egitura berdina duen.
 Sakarosa (mahai-azukrea)
 Rochelle-ko gatza
 Topazioa
 Turmalina taldearen mineralak
 Berun titanatoa (PbTiO3). Nahiz eta naturan mazedonita mineral moduan agertu, ikerkuntzarako eta aplikazioetarako sintetizatzen da.

Topazioaren piroelektrizitatearen eragina beharbada bere sarean dagoen (F, OH) ordenari erantz dakioke, beste modu batean, zentro simetrikoa dena: mmm bipiramide ortorronbikoa (mmm). Topazioak propietate optiko anomaloak ditu ordena horri eransten zaizkiona.

 Hezurra 
Hezur lehorrak zenbait propietate piezoelektriko erakusten ditu. Fukadaren ikerketak frogatu zuen ez direla apatita kristalen ondoriozkoa, ez dutelako zentro simetrikorik, beraz piezoelektrikoak ez dira, baizik eta kolagenoak direla.

Kolagenoak dipolo molekularren orientazio polar uniaxiala erakusten du bere egituran eta biolektratzat har daiteke, espezie dielektriko moduko material bat dena karga espazial kuasipermanentea eta karga dipolarra duena. Potentzialak gertatzen direla uste da, kolagenozko zenbait molekula estresatzen diren modu berdinean karga-eramaileen kantitate adierazgarriak desplazatuz laginaren barnetik azalerarantz. Kolageno-zuntz indibidualen piezoelektrizitatea neurtu zen piezo-erantzun indarreko mikroskopia erabiliz, eta kolageno-zuntzak nagusiki mozketarako material piezoelektriko moduan jokatzen dutela frogatu zen.

Gehienetan pentsatzen da efektu fotoelektrikoa indar biologikoko sentsore moduan jokatzen duela. Efektu hau, Pennsylvaniako Unibertsitatean egin zen ikerketa batean 1970eko hamarkadaren amaieran eta 1980ko hamarkadaren hasieran, eta horrek ezarri zuen potentzial elektrikoari sostenitutako aplikazioak in vivo hezurraren berrezartzea eta hazkundea (polaritatearen arabera) estimula ditzakeela. 1990ko hamarkadan egindako azterlanek kristal hexagonalentzako (6. klasekoa) hezur uhin luzeko hedapena baieztatzen zuten ekuazio matematikoen eman zituzten.

 Beste material natural batzuk 
Propietate piezoelektrikoak erakusten duten material biologikoen artean hauek daude:

 Tendoia
 Zeta
 Ehundura piezoelektrikoaren ondoriozko egurra
 Esmaltea
 Dentina
 DNA
 Proteina biralak, bakteriofagoenak sartuta. Ikerketa batek aurkitu du M13 bakteriofagoen mintz meheak erabili daitezkeela kristal likidoko pantaila bat operatzeko behar den sorgailu piezoelektriko nahikoa eraikitzeko.
 Kolagenoa

 Kristal sintetikoak 

 Langasita (La3Ga5SiO14), kuartzozko antzeko kristala
 Galio ortofostatoa (GaPO4), kuartzozko antzeko kristala
 Litio niobatoa (LiNbO3)
 Litio talalato (LiTaO3)

 Zeramika sintetikoak 
Piezoelektrikoak izan daitezen, zoriz orientatutako pikordun zeramikek ferroelektriko izan behar dute  . Bestalde, piezoelektrizitate makroskopikoa posiblea da erliebedun material polikristalinoetan, nahiz eta ferroelektrikoak ez izan, AIN eta ZnO, adibidez. Azkenik, perovskitaren antzeko egiturak ere piezoelektrikoak dira:

 Bario titanatoa (BaTiO3): aurkitu zen lehen zeramika piezoelektrikoa
 Berun zirkonato titanatoa (Pb[ZrxTi1-x]O3, non 0 ≤ x ≤ 1 den): PZT gisa ezagutua, gaur egun erabiltzen den zeramika piezoelektrikoa da.
 Potasio niobiatoa (KNbO3) 
 Sodio tungstatoa (Na2WO3)
 Ba2NaNb5O5
 Pb2KNb5O15
 Zink oxidoa (ZnO, wurtzita): banakako ZnO kristalak piezoelektrikoak eta piroelektrikoak dira, ZnO zeramikoa (polikristalinoa), ostera, ez. Hori da ferroelektrikoa ez den eta ausaz ordenatutako pikorrak dituen zeramika delako. Halere, gerta daiteke material horrek piezo eta piroelektrizitate makroskopikoak erakustea, pikorren ordenamendua lortzen bada. Izan ere, ordenatuta egotean, pikorren erantzun piezoelektriko eta piroelektrikoek ez lukete elkar deuseztatuko, zorizko ordenamenduan gertatzen den bezala. Efektu hau lortu egin da ZnO geruza polikristalino finetan .

 Berunik gabeko piezozeramikoak 
Duela gutxi, kezka hazkor bat existitzen hasi da substantzia arriskutsuen zuzendaritza-arauen murrizketaren ondorioz bultzatutako beruna duten gailuetako toxikotasunari dagokionez. Kezka horri aurre egiteko, berunik gabeko material piezoelektrikoen konposizioaren garapenean susperraldi bat egon da.

 Sodio eta potasio niobatoa ((K, Na)NbO3). Material hau NKN edo KNN bezala ezagutzen da, 2004an, Yasuyoshi Saito zuzentzen zuen ikerketa talde japoniar batek, PZT bezalako propietateak zituen sodio eta potasio niobatoaren konposizioa aurkitu zuten TC altu batekin barne. Material honen zenbait konposizio kalitate mekaniko altuko faktorea (Qm ≈ 900) bibrazio maila hazkorrekin atxikitzen dute; PZT-ren kalitate mekanikoaren faktorea aldiz, halako baldintzetan degradatzen da. Gertaera honek eragiten du NKN-a potentzia handiko erresonantzia aplikazioetarako etorkizun handiko ordezkapena izatea, transformatzaile piezoelektrikoak bezalaxe.
 Bismuto ferrita (BiFeO3) etorkizunerako hautagai bat da berunezko zeramikaren ordezkapenerako.
 Sodio niobato (NaNbO3).
 Bario titanato (BaTiO3): aurkitutako lehenengo zeramika piezoelektrikoa izan zen.
 Bismuto titanato (Bi4Ti3O12).
 Sodio bismuto titanato (NaBi(TiO3)2).

Orain arte, ez dira neurtu ez ingurumen-efektua ezta substantzia hauen hornikuntzaren egonkortasuna.

 III-V eta II-VI erdieroaleak 
Potentzial piezoelektrikoa eratu daiteke simetria zentroa ez duen granel erako edozein kristal erdieroale edo nanoestrukturatuan, hala nola III-V eta II-VI taldeko materialak esfortzu eta deformazio menpeko ioien polarizazioari esker. Ezaugarri hau ohikoa da esfalerita eta wurtzita kristal egituretan. Lehenengo ordenan, koefiziente piezoelektriko bakarra dago esfaleritatik independentea dena, e14 deiturikoa, zeina deformazio mozketaren osagaietara akoplatuta dagoen. Wurtzitan, aldiz, hiru koefiziente piezoelektriko independenteak existitzen dira: e31, e33 eta e15. Piezoelektrizitate sendoena ikusten den erdieroaletan, wurtzita egituretan aurkitzen dira normalean, hau da GaN inN, AlN, eta ZnO. ZnO piezotronikaren arlo berrian material erabiliena izan da.

2006tik aurrera efektu piezoelektriko ez lineal indartsuen berri eman da erdieroale polarretan. Oro har onartzen da ondorio horiek, gutxienez, lehen mailako hurbilketaren magnitude-ordena berekoak direla.

 Polimeroak 
Polimeroen erantzun piezoelektrikoa ez da zeramikoena bezain altua; hala ere, polimeroek zeramikek ez dituzten ezaugarriak dituzte. Azken hamarkadetan, toxikoak ez diren polimero piezoelektrikoak ikasi izan dira eta baita aplikatu izan dira bere malgutasunagatik eta inpedantzia akustiko txikiagoagatik. Material hauek adierazgarriak egiten dituzten beste ezaugarri batzuk, biobateragarritasuna, biodegradagarritasuna, kostu baxuak eta beste materialekin konparatuz (zeramika, etab.) energia-kontsumo baxuak barnean hartzen dituzte. Polimero piezoelektrikoak eta toxikoak ez diren konposatu polimerikoak erabili daitezke beraien ezaugarri fisiko ezberdinei esker.

Polimero piezoelektrikoak sailka daitezke granel erako polimeroetan kargatutako polimero hutsetan eta polimero konposatuetan. Granel erako polimeroen erantzun piezoelektrikoa egitura molekularraren ondoriozkoa da. Bi granel erako polimeroak daude: amorfoa eta erdikristalinoa. Polimero erdikristalinoen adibideak polibinilideno fluoruro (PVDF) eta bere kopolimeroak, poliamidak eta paralino-C dira. Poliimida eta polibinilideno kloruro (PVDC) bezalako polimero ez kristalinoak granel erako polimero amorfoen barruan sartzen dira. Kargatutako polimero hutsek, efektu piezoelektrikoa erakusten dute film polimeriko porotsu baten leunketaren ondorioz eratzen den kargagatik. Eremu elektriko baten pean, gainazalean kargak sortu egiten dira dipoloak sortzen dituzten hutsuneengatik. Erantzun elektrikoa huts hauen edozein deformazioengatik gauzatu daiteke. Efektu piezoelektrikoa konposatu polimerikoetan ere ikus daiteke, partikula zeramiko piezoelektrikoak integratuz polimero film batean. Polimero batek material eraginkorra izateko konposatu polimeriko batean, ez da izan behar piezo-aktiboa. Kasu honetan, materiala matrize inerte batez eratuta egon daiteke banandutako osagai piezo-aktibo batekin.

PDVF-ek kuartzoa baino hainbat aldiz handiagoko piezoelektrizitatea erakusten du. PVDF-n ikusitako erantzun piezoelektrikoa 20-30 pC/N-koa da gutxi gorabehera. Hau, zeramikako berun zirkonato titanato piezoelektrikoa (PZT) baino 5-50 aldiz txikiagoko ordenakoa da.PVDF (hots, binilideno floruroa, ko-poli trifluoroetilenoa) familiako polimeroen efektu piezoelektrikoaren egonkortasun termikoa 125 °C-ra igo egiten da. PVDF-ren aplikazio batzuk presio-sentsoreak, hidrofonoak eta talka-uhin sentsoreak dira.

Bere malgutasunagatik, konposatu piezoelektrikoak proposatu dira energia-biltzaileak eta nanosorgailuak bezala. 2018an, Zhu eta besteak informatu zuten erantzun piezoelektriko bat lor litekeela 17pc/N-koa gutxi gorabehera PDMS/PZT nanokonposatutik abiatuz, %60-ko porositatearekin. 2017-an beste PDMS nanokonposatu bat informatu zen, non BaTiO3 PDMSan integratu zen nanosorgailu garden eta elastiko bat auto elikatzen den monitoretza fisiologikoa  egiteko. 2016an, poliuretano aparrean molekula polarrak sartu ziren non 244 pC/N-ko erantzun altuak lortu ziren.

2000an, frogatu zen eragingailu batek paperez eginda egon zitekeela. Egurrezko zuntzak, zelulosa-zuntzak deiturikoak, lerrokatuta daude orientazio dipolarra egon dadila. Honek materiala piezoelektrikoa bilakatzea baimentzen du. Efektua hobetzeko, materiala konbina daiteke lerrokatze handiagoa lortzeko. Polipropileno zelularrerako D33 erantzunak 200pC/N inguru dira. Polipropileno zelularrezko zenbait aplikazio musika-teklatuak, mikrofonoak eta ultrasoinuetan oinarritutako ekolokalizazio-sisteman dira.

 Peptido aromatiko motzen automunturak 
Automuntatutako difenilalanina nanohodi peptidikoetan (PNT) ebakuntzako aktibitate piezoelektriko handia aztertu zen. Modu honetan, hodiak elektrikoki polarizatuta zeudela antzeman zen, hodian luzeka doan ardatzaren norabidean, hain zuzen. Froga ezberdinen bidez PNT-ek koefiziente piezoelektriko nahiko altuak zituztela (60 pm/Vko balioak 200nmko nanohodietan) ikusi zen, baita garraio tentsio ezberdinetan deformazio elastiko lineala. 

Honekin batera, dipeptido aromatikoetan oinarritutako beste konformazio batzuek propietate piezoelektriko interesgarriak erakusten dituzte, adibidez, fenilalanina-triptofano kristal ziklikoz egindako energia sorgailuak ekoiztu dira, bere zirkuitu irekiko tentsioa 1,4Vkoa izanik, AA gelaxka lehorreko baterien kapazitatea 1,5Vkoa delarik. 

 Aplikazioak 
Gaur egun, dispositibo piezoelektrikoentzat merkaturik garrantzitsuenetarikoa industria automobolistikoa da, telekomunikazioekin eta medikuntzarekin batera. 2010ean, dispositibo piezoelektrikoen eskaria 14,8 mila milioi dolarrekoa zen, gutxi gorabehera. Dispositiboen artean, piezozeramikoak dira garrantzitsuenak, nahiz eta azken urteotan piezopolimeroek hazkuntza oso handia izan duten, oso pisu eta tamaina txikikoak baitira.

Kristal piezoelektrikoek funtzio anitz bete ditzakete:

 Tentsio eta energia altuko iturriak 
Kuartzoa bezalako substantzia batzuen piezoelektrizitate zuzenak 1000V baino gehiagoko potentzial diferentziak sor ditzakete.

 Aplikazio ezagunena pizgailu elektrikoa da, bere botoia sakatzerakoan, bere mailuak kristal piezoelektriko bat kolpatzen du, txinparta sortuz, eta bertan dagoen gasarekin kontaktuan jartzean, garra pizten da.
 “DARPA” EEBBtan “energia uzta” deituriko proiektuan material piezoelektrikoekin lan egin du. Hauen ustetan, sorgailu piezoelektrikoak jarriz soldaduen oinetakoetan, 1-2 watio artean sortu daitezke, baina proiektua bertan behera utzi zen soldaduentzat deserosoa zelako eta nekagarria zelako. Hala ere, oinarri berarekin beste esparru batzuetan hau aplikatzen saiatu dira, adibidez tren estazioetan sortzen den populazio mugimenduekin elektrizitatea sortzen saiatzen ari dira, baita makineria industrialak sortutako dardaraz baliatuz, bateriak eta energia baxuko mikoprozesadoreak kargatzen saiatzen ari dira.


 Sentsoreak 
Sentsore piezoelektriko baten oinarria honako hau da: dimentsio fisiko bat indar batean transformatzen denean, sentsorearen bi aurkako aurpegietan eragina izango du. Modu honetan, hiru “modu” ezberdin daude elementu piezoelektrikoan eragina izateko: longitudinala, zeharkakoa eta ebakidurakoa.

Material hauekin egindako sentsorerik arruntenak mikrofono piezoelektrikoak dira, presio aldaketa soinu moduan neurtzean oinarritzen direlarik. Beste adibide batzuen artean, gitarren “pickup”ak ere piezoelektrikoak dira, hauen funtzioa kitarra elektrikoetan mikrofonoarena egitea da, bere soinua areagotuz.

Sentsore piezoelektrikoak oso erabiliak dira frekuentzia altuko soinuekin transduktore ultrasonikoetan. Kasu honetan, medikuntzan eta frogapen industrial ez-suntsikorretan erabiltzen dira gehienbat.

Transduktore ultrasonikoen kasuan, adibidez, ultrasoinu uhinak giza gorputzean barreiatu ditzakete, eta gero bueltatutako uhina jaso. Hau egitean,  seinale elektriko batean bilakatzen dute.

Hauetaz gain, beste aplikazio batzuk izan ditzakete sentsore piezoelektrikoek:

 Sonar uhinen detekzioa.
 Inklinazio detekzioan.
 Galga estensometrikoetan.
 Autoen motoreetan transduktore piezoelektrikoak erabiltzen dira detonazio sentsoreetan (Knock Sensor, KS). Beraien lana motorearen funtzionamendua aproposa dela ziurtatzea da.
 Emisio akustikoetan ultrasoinu piezo-sentsoreak erabiltzen dira.

 Eragingailuak 
Kristal piezoelektrikoen zabaleran oso aldaketa txikiekin oso eremu elektriko handiak lortu daitezke, zabalera hau µm mailako doitasunarekin aldatu daiteke. Beraz, kristal piezoelektrikoak oso tresna erabilgarriak dira zehaztasun handiarekin objektuak mugitzerako orduan; hortaz, eragingailuetan asko erabiltzen dira.

Eragingailu piezoelektrikoak erabilera asko dauzkate:

 Bozgorailuetan: Tentsioa diafragma metaliko baten mugimendu mekanikoan bilakatzen da.
 Motore piezoelektrikoetan: Elementu piezoelektrikoek norabide-indar bat motorearen ardatzari aplikatzen diote, hau biraraziz. Oso mugimendu txikiak ematen direnez, piezo-motoreak urratsezko motorearentzat ordezkapena izango dela uste da, beraien doitasun altuagoagatik.
 Indar Atomikoko mikroskopioek piezoelektrizitate konbertsoa erabiltzen dute sentsorea espezimenaren gertu mantentzeko.
 Inprimagailuetan: tinta zurrustadako inprimagailuetan kristal piezoelektrikoak erabiltzen dira tintaren irteera kontrolatzeko.
 Diesel motoreetan: etekin altuko fuelaren injektore piezoelektrikoak erabiltzen dira gaur egun autoetan.

 Maiztasun estandarra 
Kuartzoaren propietate piezoelektrikoak erabilgarriak dira maiztasun estandarreko sorgailuak egiteko.

 Kuartzozko erlojuek kuartzo kristalez egindako osziladorea erabiltzen dute, piezoelektrizitate zuzena eta konbertsoaren arteko konbinazio batez baliatuz modu erregular batean kronometratutariko pultso elektrikoak sortuz, denbora markatzeko erabiltzen direnak. Kuartzo kristalak, maiztasun natural definitu bat dauka zeinetan oszilatzeko joera izango duen, eta honetaz baliatuz, kristalari aplikaturiko tentsioaren maiztasuna egonkortzen da.
 Oinarri bera jarraituz, radio igorle eta hargailuak egiten dira.

 Motore piezoelektrikoak 
Honako hauek dira motore piezoelektriko motak:

 Reflex kameretan auto-fokuratzerako erabiltzen den “traveling-wave” motorea.
 “Inchworm” motoreetan mugimendu linearrerako.
 Lau koadranteko motore angeluzuzenetarako.
 Urratsezko piezo-motoreetan, “stick-slip” efektuaz baliatuz.

Motore piezoelektrikoak, orokorrean, motorean dauden gainazalen arteko frikzioarekin kristal piezoelektrikoen kitzikapenean oinarritzen dira. Motore hauek oso txikiak izan ahal dira.

 Dardara eta zarata murriztapena 
Ikerlari talde anitzek materialen dardara murrizteko bide berriak bilatzen ari dira, hauei elementu piezoelektrikoak atxikitzea metodo hauetako bat izanik. Materiala norabide batean makurtzen denean bibrazioagatik, dardara-murriztapen sistemak bihurriketa honi kontra egingo dio energia elektrikoa bidaliz elementu piezoelektrikora, beste norabidean makurtzeko. Etorkizunean espero da autoetan eta etxebizitzetan metodo hau aplikatzea, zarata murriztapenerako.

2005eko azaroan, TU Darmstadt-eko talde batek dardararen aurkako sistemen baliogarritasuna erakutsi zuten, mailu batekin panel ezberdinak kolpekatuz, eta material piezoelektrikoa zeukanak berehala astintzeari utzi zion.

Teknologia hau ere HEAD Tenniseko belarakietan erabiltzen saiatzen ari dira ikerlariek. 

 Antzutasunaren tratamendua 
Alferrikako fertilizazio prozesuak jaso dituzten emakumeengan, obozitoen aktibazio piezoelektrikoarekin batera esperma-injekzio intrazitoplasmatikoak fertilizazioaren emaitzak hobetu omen ditu. 

 Kirurgia 
Ultrasoinu piezoelektrikoen aplikazioen artean, kirurgia piezoelektrikoa daukagu. Piezu-kirurgia minimoki inbaditzailea den metodoa da, zeinak ehun jakin bat moztea daukan helburu beste ehunetan sorturiko kaltea ahalik eta gutxienekoa izanik. Adibidez, Hoigne et al.-ek  esku-kirurgian aplikatu zuten, hezurra mozteko. Teknika honek daukan abantaila bat mineralak diren ehunak mozteko gai dela da, ehun neurobaskular eta bestelako ehun bigunagoak moztu gabe; hau da, operazio ingurua odolez garbi uzten duen teknika da. 

 Etorkizunerako aplikazioak 
2015ean, material piezoelektrikoen xafla meheak erresonatzaile eta erradiatzaile eraginkorrak direla aurkitu zen,  baldin eta frekuentzia jakinen pean kokatzen badira. Hain zuzen, aipaturiko geruza finei kitzikapen asimetrikoa aplikatzen bazaie, sistemaren simetria apurtu egingo da, baita eremu elektrikoarena ere. Era horretan, erradiazio eletromagnetikoa sortuko da. Beraz, horri guztiari esker, material piezoelektrikoak antenetan erabil daitezkeela aurkitu zen .

Azken urteotan, material piezoelektrikoei bestelako aplikazioak bilatu zaizkie. Horien artean, oinezkoen energia zinetikoa biltzea dago . Horretarako, hainbat faktore hartu behar dira kontuan, prozesuaren eraginkortasuna maximizatu nahi bada: oinezkoen dentsitate altuko guneak aukeratu behar dira eta baita espaloietako baldosen orientazioak berebiziko garrantzia dauka energia gordetzerako orduan. Halaber, gomendagarria da teknika hori aplikatuko den zonaldeetan, energia piezoelektrikoa sortzeko ahalmena kualitatiboki ebaluatzea, denbora-unitateko oinezkoen kopurua aintzat hartuz . X. Li-ren taldeak energia piezoelektrikoa batzeko sistema proposatu zuen Sidneyko Macquarie Unibertsitateko eraikin zentral baterako. Horren diseinuan, pertsonen fluxua aztertuta, lauza piezoelektrikoek gune jendetsuenetako zoruaren %3,1 estaliko zuten; era horretan, 1,1 MW · h batuko zen urtero. Energia hori eraikinaren urte bateko energia-beharraren %0,5 inguru zela estimatu zen . Israelen, jadanik material piezoelektrikoen aplikazio hori ustiatzen duen enpresa dago: material horiek trafiko askoko errepide baten azpian kokatu ziren eta, sortutako energiarekin, hirietako argiteria, seinaleak eta publizitate-panelak hornitzen dira. [erreferentzia behar da]

Azkenik, Goodyear konpainiak material piezoelektrikoak daramaten pneumatikoak garatzeko plana du. Horretan, ibilgailuaren mugimenduak eragindako pneumatikoaren deformazioak elektrizitatea sortuko du.

 Energia fotovoltaikoa 
Material piezoelektrikodun zelda fotovoltaiko hibridoen eraginkortasuna igo daiteke bibrazio askoko edo zarata handiko gunean kokatuz. Hori polimero organikodun gelaxkarekin frogatu zen, zink oxidozko nanotutuak erabilita. Esperimentuan ikusi zen efektu piezoelektriko soilak sortutako elektrizitatea arbuiagarria zela, baina 75 dB-ko soinuak aplikatuz, etekina %50 igotzen zen. Eraginkortasunaren maximoa 10 kHz-tan lortu zen, hots, nanotutuen erresonantzia-frekuentzian. Tutuen bibrazioak eragindako eremu elektrikoak polimeroaren elektroiekin elkarrekiten zuen eta horiek  ZnO geruza elektroizalera jotzeko probabilitatea murrizten zen .

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

Kategoria:Elektromagnetismoa
Kategoria:Frantziako zientzia eta teknologia
Kategoria:1881 zientzian
Kategoria:Energia-uzta
Kategoria:Fenomeno elektrikoak
Kategoria:1881 Frantzian