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想象一下，当车辆行驶时轮胎会充电，街灯由交通的震动供电，或摩天大楼在自然摇摆和震动时发电。这些能源创新的实现得益于伦斯勒理工学院的研究人员，他们正在开发一种环保材料，该材料在受压或暴露于振动时会产生电力。在最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，研究团队开发了一种聚合物薄膜，内部含有特殊的硫族化物钙钛矿化合物，当薄膜被挤压或受压时可以产生电力，这种现象被称为压电效应。
尽管现有的压电材料很多，但这种材料是少数几种高性能且不含铅的材料之一，因此它在机器、基础设施及生物医疗应用中具有很好的潜力。“我们对我们的发现感到兴奋，并乐观其可能对绿色能源的转换提供支持。”该研究的通讯作者、机械、航空航天与核工程系John A. Clark与Edward T. Crossan教授Nikhil Koratkar博士说道。“铅是有毒的，并且在材料和设备中正逐步被限制和淘汰。
我们的目标是创造一种不含铅且可用自然中常见元素廉价制造的材料。”Koradkar解释说，这种能量收集薄膜仅有0.3毫米厚，可以集成到各种各样的设备、机器和结构中。“基本上，这种材料将机械能转化为电能——施加的压力负载越大并且压力施加的表面积越大，效应就越明显，”Koratkar说。“例如，它可以用于公路下方，当汽车经过时发电。也可以用于建筑材料，当建筑物振动时发电。”
压电效应发生在那些缺乏结构对称性的材料中。在施压下，压电材料会变形，从而导致其内部的正负离子分离。这种“偶极矩”可以被利用并转化为电流。在RPI团队发现的硫族化物钙钛矿材料中，结构对称性在受压下容易被打破，从而产生显著的压电反应。当他们合成出包含钡、锆和硫的新材料后，研究人员通过暴露于各种身体运动如走路、跑步、拍手和敲击手指来测试其发电能力。
研究人员发现，在这些实验中，该材料产生的电力足以点亮一组显示RPI字样的LED灯。“这些测试显示该技术可能有实用潜力，例如在跑步者或骑自行车者佩戴的设备中以点亮他们的鞋子或头盔，增加其可见度。然而，这仅仅是概念的验证，因为我们希望最终能在大规模中实施这种材料，真正推动能源生产的变化。”Koratkar说。
未来，Koratkar的实验室将探索整个硫族化物钙钛矿化合物家族，以寻找那些显示更强压电效应的材料。人工智能和机器学习可能成为这个过程中的有效工具，Koratkar说。“可持续能源生产对我们的未来至关重要。”RPI工程学院院长Shekhar Garde博士说。“Koratkar教授的工作是创新材料发现方法如何解决全球问题的绝佳例子。”
