La pérovskite sans plomb promet une nouvelle ère de récupération d’énergie piézoélectrique

Une équipe de chercheurs a créé un film polymère rempli de chalcogénure, composé de pérovskite, qui génère de l'électricité lorsqu'il est soumis à une contrainte.

Researchers have created a polymer film filled with a chalcogenide perovskite compound that generates electricity when stressed. This phenomenon is known as the piezoelectric effect, which is simply the ability of certain materials to generate an electric charge when mechanical stress is applied.

Les chercheurs ont créé un film polymère rempli d'un composé chalcogénure pérovskite qui génère de l'électricité lorsqu'il est soumis à une contrainte. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet piézoélectrique, qui est simplement la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée.

The piezoelectric effect occurs in materials that lack crystal structural symmetry. Crystals, ceramics, polymers, and biological matter such as bone, DNA, and various proteins are different kinds of piezoelectric materials.

L'effet piézoélectrique se produit dans les matériaux dépourvus de symétrie structurelle cristalline. Les cristaux, les céramiques, les polymères et les matières biologiques telles que les os, l'ADN et diverses protéines sont différents types de matériaux piézoélectriques.

Such materials have the potential to collect the energy related to mechanical vibrations. The best thing about this form of energy is that it is present all around us in abundant supply and is renewable in nature.

De tels matériaux ont le potentiel de capter l’énergie liée aux vibrations mécaniques. La meilleure chose à propos de cette forme d’énergie est qu’elle est présente tout autour de nous en abondance et qu’elle est de nature renouvelable.

However, as the latest research notes, piezoelectric materials that are best performing tend to have the chemical element lead (Pb), which can cause cancer, increase the risk of brain tumors, and hinder DNA repair.

Cependant, comme le soulignent les dernières recherches, les matériaux piézoélectriques les plus performants ont tendance à contenir l'élément chimique plomb (Pb), qui peut provoquer le cancer, augmenter le risque de tumeurs cérébrales et entraver la réparation de l'ADN.

Materials that contain lead are hazardous, and regulators have curtailed their use to protect the environment.

Les matériaux contenant du plomb sont dangereux et les régulateurs ont réduit leur utilisation pour protéger l'environnement.

Given the toxicity of lead, which is a heavy, malleable, naturally occurring metal with a relatively low melting point, it is being increasingly phased out of materials and devices.

Compte tenu de la toxicité du plomb, qui est un métal lourd et malléable d’origine naturelle avec un point de fusion relativement bas, il est de plus en plus progressivement éliminé des matériaux et des appareils.

Hence, the team's goal was to create a material that was lead-free and able to be made inexpensively using elements that are commonly found in nature.

L’objectif de l’équipe était donc de créer un matériau sans plomb pouvant être fabriqué à moindre coût à partir d’éléments que l’on trouve couramment dans la nature.

So, the team from the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) made use of a material that not only does not contain lead but is also one of the few high-performing ones. Hence, it is a great candidate for use in biomedical applications, machines, and infrastructure.

L'équipe de l'Institut polytechnique Rensselaer (RPI) a donc utilisé un matériau qui non seulement ne contient pas de plomb, mais qui est également l'un des rares à être très performant. C’est donc un excellent candidat pour une utilisation dans les applications, les machines et les infrastructures biomédicales.

The lead-free material that the team used belongs to the chalcogenide perovskite family exhibiting piezoelectricity. BaZrS3 was the composition used in the study, which is reported to have a pronounced piezoelectric response.

Le matériau sans plomb utilisé par l’équipe appartient à la famille des chalcogénures pérovskites présentant une piézoélectricité. BaZrS3 était la composition utilisée dans l’étude, qui aurait une réponse piézoélectrique prononcée.

Chalcogenide perovskites have been gaining a lot of attention and advances lately. This family of compounds is related to perovskite structures, which have many favorable properties such as low toxicity, high stability, direct band gaps, good carrier transport abilities, and strong light absorption.

Les pérovskites de chalcogénure ont fait l'objet de beaucoup d'attention et de progrès ces derniers temps. Cette famille de composés est liée aux structures pérovskites, qui possèdent de nombreuses propriétés favorables telles qu'une faible toxicité, une stabilité élevée, des bandes interdites directes, de bonnes capacités de transport de porteurs et une forte absorption de la lumière.

These properties make perovskites really stand out in applications like photovoltaics, photodetectors, light-emitting devices, and photocatalysts.

Ces propriétés permettent aux pérovskites de se démarquer vraiment dans des applications telles que le photovoltaïque, les photodétecteurs, les dispositifs électroluminescents et les photocatalyseurs.

Interestingly, most high-performing piezoelectric materials are non-centrosymmetric and hence display intrinsically high polarizability. However, many oxide perovskites, including the one used in the study, exhibit a centrosymmetric crystal structure, which is weakly piezoelectric in its pristine form. These compounds are actually non-polar because they inherently lack a net dipole moment.

Il est intéressant de noter que la plupart des matériaux piézoélectriques très performants ne sont pas centrosymétriques et présentent donc une polarisabilité intrinsèquement élevée. Cependant, de nombreux pérovskites d'oxyde, y compris celui utilisé dans l'étude, présentent une structure cristalline centrosymétrique, faiblement piézoélectrique dans sa forme primitive. Ces composés sont en réalité non polaires car ils sont intrinsèquement dépourvus de moment dipolaire net.

The dipole moment is the scientific name for the way piezoelectric materials perform when under stress, which is deformation in a way that causes positive ions and negative ions in the material to separate. This dipole moment can be harnessed and turned into an electric current.

Le moment dipolaire est le nom scientifique désignant la façon dont les matériaux piézoélectriques se comportent lorsqu'ils sont soumis à une contrainte, c'est-à-dire une déformation provoquant la séparation des ions positifs et des ions négatifs contenus dans le matériau. Ce moment dipolaire peut être exploité et transformé en courant électrique.

But with no net dipole moment, how did the team achieve piezoelectricity? Well, they leverage the loose packing within the chalcogenide perovskite structure to overcome the problem.

Mais en l’absence de moment dipolaire net, comment l’équipe a-t-elle atteint la piézoélectricité ? Eh bien, ils exploitent l’emballage lâche au sein de la structure de la pérovskite de chalcogénure pour surmonter le problème.

Scaling the Technology for Green Energy Applications

Faire évoluer la technologie pour les applications d’énergie verte

The latest study details that despite being centrosymmetric, lead-free chalcogenide perovskite materials become polarizable very quickly when it is deformed. This is due to a loosely packed unit cell, which has a lot of vacant space.

La dernière étude détaille que, bien qu’ils soient centrosymétriques, les matériaux pérovskites à base de chalcogénure sans plomb deviennent très rapidement polarisables lorsqu’ils sont déformés. Cela est dû à une cellule unitaire peu remplie, qui comporte beaucoup d’espace vacant.

This significant volume of empty space allows extended displacement of ions, which, in turn, allows for the reduction of symmetry and results in an amplified displacement-mediated dipole moment.

Ce volume important d'espace vide permet un déplacement étendu des ions, ce qui, à son tour, permet la réduction de la symétrie et aboutit à un moment dipolaire médié par le déplacement amplifié.

The team performed a piezoresponse force microscopy (PFM) on BaZrS3 to confirm the piezoelectricity of the material.

L’équipe a réalisé une microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) sur BaZrS3 pour confirmer la piézoélectricité du matériau.

PFM is a functional atomic force microscopy (AFM) model that has been recognized for the unique information it offers on the electromechanical properties of various materials on the nanometer scale.

Le PFM est un modèle fonctionnel de microscopie à force atomique (AFM) reconnu pour les informations uniques qu'il offre sur les propriétés électromécaniques de divers matériaux à l'échelle nanométrique.

Structural symmetry in the chalcogenide perovskite material, as per the team, can be easily broken under stress, which leads to an enhanced piezoelectric response. So, once confirmed, the team developed composites of BaZrS3 particles dispersed in polycaprolactone.

Selon l'équipe, la symétrie structurelle du matériau pérovskite chalcogénure peut être facilement brisée sous contrainte, ce qui conduit à une réponse piézoélectrique améliorée. Ainsi, une fois confirmée, l’équipe a développé des composites de particules BaZrS3 dispersées dans de la polycaprolactone.

The new material synthesized contains barium, zirconium, and sulfur, which were then used to harvest energy from human body motion and power electrochemical and electronic devices.

Le nouveau matériau synthétisé contient du baryum, du zirconium et du soufre, qui ont ensuite été utilisés pour récupérer l’énergie du mouvement du corps humain et alimenter des appareils électrochimiques et électroniques.

The team tested the material's ability to generate electricity by subjecting it to bodily movements like running, walking, tapping fingers, and clapping. The electricity produced during the experiment was found to be enough to power LED banks, spelling out RPI.

L'équipe a testé la capacité du matériau à générer de l'électricité en le soumettant à des mouvements corporels comme courir, marcher, taper du doigt et applaudir. L’électricité produite au cours de l’expérience s’est avérée suffisante pour alimenter les banques de LED, ce qui correspond au RPI.

“We are excited and encouraged by our findings and their potential to support the transition to green energy.”

« Nous sommes enthousiasmés et encouragés par nos découvertes et leur potentiel à soutenir la transition vers l’énergie verte. »

– Nikhil Koratkar, Study co-author

– Nikhil Koratkar, co-auteur de l'étude

The material, according to him, converts mechanical energy into electrical energy. According to Koratkar:

Le matériau, selon lui, convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Selon Koratkar :

“The greater the applied pressure load and the greater the surface area over which the pressure is applied, the greater the effect.”

"Plus la charge de pression appliquée est grande et plus la surface sur laquelle la pression est appliquée est grande, plus l'effet est important."

The energy harvesting film created by the team is just 0.3 millimeters thick and can be integrated into various machines, devices, and structures like buildings and highways to

Le film de récupération d'énergie créé par l'équipe n'a que 0,3 millimètre d'épaisseur et peut être intégré dans diverses machines, appareils et structures comme des bâtiments et des autoroutes pour