Este é um cristal de açúcar.
Sob pressão, ele vai gerar eletricidade.
Como pode este simples cristal ser uma fonte minúscula fonte de energia?
Porque o açúcar é piezoelétrico.
Materiais piezoelétricos transformam estímulos mecânicos,
como pressão, ondas sonoras e outras vibrações em eletricidade,
e vice-versa.
Esse estranho fenômeno foi descoberto
pelo físico Pierre Curie e seu irmão Jacques, em 1880.
Eles descobriram que, se comprimissem finas fatias de determinados cristais,
cargas positivas e negativas apareceriam em lados opostos.
Essa diferença de cargas, ou voltagem,
significava que o cristal comprimido conduzia corrente por um circuito,
como uma bateria.
E funcionava ao contrário também.
Conduzir eletricidade por esses cristais modificava o formato deles.
Ambos os resultados,
transformar energia mecânica em elétrica e energia elétrica em mecânica,
foram extraordinários,
mas essa descoberta ficou décadas sem ser apreciada.
A primeira aplicação prática foi em instrumentos de sonar
usados para detectar submarinos alemães durante a Primeira Gerra Mundial.
Cristais de quartzo piezoelétricos no transmissor do sonar
vibravam quando submetidos a voltagem alternante.
Isso enviava ondas de ultrassom através da água.
Medindo quanto tempo essas ondas levavam pra recochetear no objeto e voltar,
descobria-se a que distância o objeto estava.
Para a transformação inversa, converter energia mecânica em elétrica,
imagine lâmpadas que se acendem ao batermos palmas.
As palmas emitem vibrações pelo ar
e fazem com que o elemento piezo estremeça.
Isso gera uma voltagem capaz de conduzir corrente suficiente para acender as LEDs,
embora sejam as fontes convencionais de energia que as mantêm ligadas.
Mas o que torna um elemento piezoelétrico?
A resposta depende de dois fatores:
a estrutura atômica do material
e a forma como a carga elétrica se distribui nessa estrutura.
Muitos materiais são cristalinos,
ou seja, feitos de átomos e íons agrupados em um padrão tridimensional.
Esse padrão tem um elemento fundamental chamado de célula unitária
que se repete continuamente.
Na maioria dos materiais cristalinos não piezoelétricos,
os átomos em suas células unitárias se distribuem simetricamente
em torno de um ponto central,
mas alguns materiais cristalinos não possuem um centro de simetria,
o que os torna candidatos à piezoeletricidade.
Vejamos o quartzo,
um material piezoelétrico composto de silício e oxigênio.
O oxigênio tem carga levemente negativa e o silício tem carga levemente positiva,
o que gera uma separação de cargas, ou dipolo, ao longo de cada ligação.
Geralmente, esses dipolos cancelam-se mutuamente,
assim não há separação líquida de carga na célula unitária.
Porém, se um cristal de quartzo for espremido em determinada direção,
os átomos mudam.
Devido à assimetria resultante na distribuição de cargas,
os dipolos não se cancelam mais.
A célula esticada acaba com uma carga líquida negativa em um dos lados
e uma carga líquida positiva no outro.
Esse desequilíbrio de cargas se repete em todo o material
e as cargas opostas se acumulam nos lados opostos do cristal.
Isso gera uma voltagem capaz de conduzir eletricidade através de um circuito.
Materiais piezoelétricos podem ter estruturas diferentes,
mas o que todos têm em comum são células unitárias sem um centro de simetria.
Quanto mais forte a pressão sobre o material piezoelétrico,
maior será a voltagem gerada.
Já esticando o cristal, a voltagem mudará, fazendo a corrente fluir ao contrário.
Há mais materiais piezoelétricos do que você imagina.
DNA, ossos e seda
possuem a capacidade de transformar energia mecânica em energia elétrica.
Cientistas criaram uma variedade de materiais piezoelétricos sintéticos
e descobriram aplicações para eles,
desde em exames diagnósticos de imagem a impressoras a jato de tinta.
A piezoeletricidade é responsável pelas oscilações rítmicas
dos cristais de quartzo que fazem os relógios marcarem a hora certa,
pelos alto-falantes de cartões musicais
e pela centelha que acende algumas churrasqueiras,
ao clicarmos o acendedor.
Os dispositivos piezoelétricos talvez se tornem ainda mais comuns,
já que a demanda por eletricidade é alta e a energia mecânica é abundante.
Já existem estações de trem que usam a energia dos passos dos passageiros
para fazer funcionar catracas e telões,
e uma boate em que a piezoeletricidade ajuda a acender as luzes.
Passos de jogadores de basquete poderiam fornecer energia para acender o placar?
Ou caminhar pela rua poderia ajudar a carregar aparelhos eletrônicos?
Qual será o futuro da piezoeletricidade?