鉛フリーのペロブスカイトが圧電エネルギーハーベスティングの新時代を約束

研究チームは、ストレスがかかると発電するカルコゲナイドペロブスカイト化合物で満たされたポリマーフィルムを作成した。

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.

研究者らは、ストレスがかかると発電するカルコゲナイドペロブスカイト化合物を充填したポリマーフィルムを作成した。この現象は圧電効果として知られています。これは、単に機械的応力が加えられたときに特定の材料が電荷を生成する能力です。

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.

圧電効果は、結晶構造の対称性を欠く材料で発生します。結晶、セラミック、ポリマー、骨、DNA、さまざまなタンパク質などの生体物質は、さまざまな種類の圧電材料です。

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.

このような材料は、機械的振動に関連するエネルギーを収集する可能性があります。この形式のエネルギーの最も優れた点は、それが私たちの周囲に豊富に存在し、自然界で再生可能であることです。

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.

しかし、最新の研究が指摘しているように、最高の性能を発揮する圧電材料には、癌を引き起こし、脳腫瘍のリスクを高め、DNA 修復を妨げる可能性がある化学元素である鉛 (Pb) が含まれる傾向があります。

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

鉛を含む材料は危険であり、規制当局は環境保護のためにその使用を削減しています。

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.

鉛は重くて展性があり、融点が比較的低い天然の金属であるため、その毒性を考慮して、材料やデバイスからの使用が段階的に廃止されつつあります。

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.

したがって、チームの目標は、鉛を含まず、自然界に一般的に存在する元素を使用して安価に製造できる材料を作成することでした。

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.

そこで、レンセラー工科大学 (RPI) のチームは、鉛を含まないだけでなく、数少ない高性能材料の 1 つである材料を利用しました。したがって、生物医学用途、機械、インフラストラクチャーでの使用に最適な候補です。

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.

研究チームが使用した鉛フリー材料は、圧電性を示すカルコゲナイド ペロブスカイト族に属しています。 BaZrS3 は研究で使用された組成物であり、顕著な圧電応答を持つことが報告されています。

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.

カルコゲニド ペロブスカイトは、最近多くの注目と進歩を集めています。この化合物群はペロブスカイト構造に関連しており、低毒性、高い安定性、直接バンドギャップ、良好なキャリア輸送能力、強い光吸収などの多くの好ましい特性を備えています。

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

これらの特性により、ペロブスカイトは太陽光発電、光検出器、発光デバイス、光触媒などの用途において非常に優れています。

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.

興味深いことに、ほとんどの高性能圧電材料は非中心対称であるため、本質的に高い分極率を示します。しかし、研究で使用されたものを含む多くの酸化物ペロブスカイトは中心対称の結晶構造を示し、元の状態では弱い圧電性を示します。これらの化合物は本質的に正味の双極子モーメントを欠いているため、実際には無極性です。

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.

双極子モーメントは、応力下における圧電材料の動作の学名であり、材料内の正イオンと負イオンを分離させるような変形です。この双極子モーメントを利用して電流に変えることができます。

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.

しかし、正味双極子モーメントがないにもかかわらず、チームはどのようにして圧電性を実現したのでしょうか?彼らは、カルコゲナイド ペロブスカイト構造内の緩いパッキングを利用して問題を克服しています。

Scaling the Technology for Green Energy Applications

グリーン エネルギー アプリケーション向けのテクノロジーの拡張

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.

最新の研究では、鉛フリーのカルコゲナイドペロブスカイト材料は中心対称であるにもかかわらず、変形すると非常に早く分極しやすくなることが詳述されている。これは、単位セルが緩く詰め込まれており、多くの空きスペースがあるためです。

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.

このかなりの量の空の空間により、イオンの拡張された変位が可能になり、その結果、対称性が減少し、変位を介した双極子モーメントが増幅されます。

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

研究チームは、BaZrS3 の圧電性を確認するために、BaZrS3 に対して圧電応答力顕微鏡 (PFM) を実行しました。

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.

PFM は機能的原子間力顕微鏡 (AFM) モデルであり、ナノメートル スケールのさまざまな材料の電気機械特性に関する独自の情報を提供することで知られています。

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.

研究チームによると、カルコゲナイド・ペロブスカイト材料の構造対称性は応力下で簡単に破れ、圧電応答の向上につながるという。そこで、それが確認されると、チームはポリカプロラクトン中に分散された BaZrS3 粒子の複合材料を開発しました。

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.

合成された新しい材料にはバリウム、ジルコニウム、硫黄が含まれており、これらは人体の動きからエネルギーを収集し、電気化学および電子デバイスに電力を供給するために使用されました。

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.

研究チームは、走る、歩く、指をたたく、拍手するなどの体の動きを材料に加えて、その材料の発電能力をテストした。実験中に生成された電力は、LEDバンクに電力を供給するのに十分であることが判明し、RPIを説明しました。

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

「私たちは、私たちの発見と、グリーンエネルギーへの移行をサポートするその可能性に興奮し、励まされています。」

– Nikhil Koratkar, Study co-author

– Nikhil Koratkar、研究共著者

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

同氏によると、この材料は機械エネルギーを電気エネルギーに変換するという。コラートカール氏によると、

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

「適用される圧力負荷が大きくなり、圧力が適用される表面積が大きくなるほど、効果は大きくなります。」

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

チームが作成したエナジーハーベストフィルムの厚さはわずか 0.3 ミリメートルで、さまざまな機械、デバイス、建物や高速道路などの構造物に組み込むことができます。