Primo piano del nuovo sensore piezoelettrico sviluppato dai ricercatori dell'Università di Houston
Sviluppati sensori sensibili affidabili e durevoli adatti per molteplici settori che funzionano a temperature elevate e in ambienti estremi
Gli ambienti estremi in diversi settori critici - aerospaziale, energia, trasporti e difesa - richiedono sensori per misurare e monitorare numerosi fattori in condizioni difficili per garantire la sicurezza umana e l'integrità dei sistemi meccanici. Nell'industria petrolchimica, ad esempio, le pressioni delle condutture devono essere monitorate in climi che vanno dal caldo estremo del deserto al freddo quasi artico. Vari reattori nucleari operano a una gamma di 300-1000 gradi Celsius, mentre i pozzi geotermici profondi mantengono temperature fino a 600 gradi Celsius.
Un articolo, apparso sulla rivista Advanced Functional Materials (1), descrive lo sviluppo fatto da un team di ricercatori dell'University of Houston di un nuovo sensore che ha dimostrato di poter funzionare a temperature fino a 900 gradi Celsius o 1.650 gradi Fahrenheit, ovvero la temperatura in cui erutta la lava vulcanica mafica, il tipo di lava più caldo sulla Terra.
«Per l'efficienza, la manutenzione e l'integrità di queste applicazioni sono necessari sensori altamente sensibili, affidabili e durevoli in grado di tollerare ambienti così estremi», ha affermato il dottor Jae-Hyun Ryou (2), professore associato di ingegneria meccanica presso la UH e corrispondente autore di uno studio.
Farlo funzionare
Il team di ricerca UH aveva precedentemente sviluppato un sensore di pressione piezoelettrico III-N utilizzando nitruro di gallio monocristallino o film sottili GaN per applicazioni in ambienti difficili. Tuttavia, la sensibilità del sensore diminuisce a temperature superiori a 350 gradi Celsius, che è superiore a quella dei trasduttori convenzionali realizzati in titanato di zirconato di piombo (PZT), ma solo marginalmente.
Il team ha ritenuto che la diminuzione della sensibilità fosse dovuta al bandgap - l'energia minima richiesta per eccitare un elettrone e fornire conduttività elettrica - non sufficientemente ampia. Per verificare l'ipotesi, hanno sviluppato un sensore con nitruro di alluminio o AlN.
«L'ipotesi è stata dimostrata dal sensore che opera a circa 1000 gradi Celsius, che è la temperatura operativa più alta tra i sensori piezoelettrici», ha affermato Nam-In Kim (3), primo autore dell'articolo e studente post-dottorato che lavora con il gruppo Ryou. (4)
Sebbene sia l'AlN che il GaN abbiano proprietà uniche ed eccellenti adatte all'uso in sensori per ambienti estremi, i ricercatori si sono entusiasmati nel scoprire che l'AlN offriva una banda proibita più ampia e un intervallo di temperatura ancora più elevato. Tuttavia, il team ha dovuto affrontare sfide tecniche che comportavano la sintesi e la fabbricazione del film sottile AlN flessibile e di alta qualità.
«Mi sono sempre interessato a realizzare dispositivi utilizzando materiali diversi e amo caratterizzare vari materiali. Lavorando nel gruppo Ryou, in particolare su dispositivi piezoelettrici e materiali III-N, sono riuscito ad utilizzare le conoscenze apprese durante i miei studi», ha affermato Kim, che ha conseguito il dottorato di ricerca in scienza dei materiali e ingegneria presso l'University of Houston (UH) nel 2022. La sua premiata tesi riguardava i sensori piezoelettrici flessibili per l'assistenza sanitaria personale e gli ambienti estremi.
«È stato molto interessante vedere il processo che ha portato ai risultati effettivi e abbiamo risolto le sfide tecniche durante lo sviluppo e la dimostrazione del sensore», ha aggiunto.
Qual è il prossimo?
Ora che i ricercatori hanno dimostrato con successo il potenziale dei sensori piezoelettrici ad alta temperatura con AlN, lo testeranno ulteriormente in condizioni difficili del mondo reale.
«Il nostro obiettivo è di utilizzare il sensore in diversi scenari difficili. Ad esempio, negli impianti nucleari per l'esposizione ai neutroni e lo stoccaggio dell'idrogeno da testare ad alta pressione», ha affermato Ryou. «I sensori AlN possono funzionare in atmosfere esposte ai neutroni e a intervalli di pressione molto elevati grazie alle proprietà stabili del materiale».
La flessibilità del sensore offre ulteriori vantaggi che lo renderanno utile per applicazioni future sotto forma di sensori indossabili nei prodotti per il monitoraggio della salute personale e per l'uso nella robotica morbida a rilevamento preciso.
I ricercatori non vedono l'ora che il loro sensore sia commercialmente fattibile in futuro. «È difficile fissare una data specifica su quando ciò potrebbe avvenire, ma penso che sia nostro compito come ingegneri farlo accadere il prima possibile», conclude Kim.
Riferimenti:
(2) Jae-Hyun Ryou
(3) Nam-In Kim
Descrizione foto:
Foto destra: Nam-In Kim, primo autore e studente post-dottorato, con il suo mentore Jae-Hyun Ryou, professore associato di ingegneria meccanica all'Università di Houston. - Credit: University of Houston.
Foto sinistra: Primo piano del nuovo sensore piezoelettrico sviluppato dai ricercatori dell'Università di Houston. Può potenzialmente funzionare in ambienti estremi. - Credit: University of Houston.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: UH Researchers Develop Sensors that Operate at High Temperatures and in Extreme Environments