Учёные обнаружили, что алмазы способны генерировать электричество
Исследователи из Университета Гонконга (HKU) обнаружили, что ультратонкие и очень гибкие алмазные мембраны способны создавать измеримый пьезоэлектрический отклик. Это ставит под сомнение научное представление, существовавшее более ста лет.
Исследование возглавили профессор Чу Чжицинь, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии, и профессор Линь Юань, профессор кафедры машиностроения инженерного факультета Университета Гонконга.
Алмаз нарушает правило, которому больше ста лет
С начала XX века алмаз обычно относили к непьезоэлектрическим материалам. Иными словами, считалось, что при механической деформации он не способен генерировать электрическое напряжение.
Это ограничение во многом определяло способы применения алмаза в инженерии.
Несмотря на исключительную твёрдость, прочность, химическую стабильность, высокую скорость распространения звука, теплопроводность, высокую электрическую прочность и сверхширокую запрещённую зону, алмаз в микроэлектромеханических системах, или MEMS, обычно использовался лишь как конструкционная основа для других пьезоэлектрических материалов.
Поэтому идея «получать электричество из алмазов» долгое время считалась практически нереализуемой.
Алмаз сделали настолько тонким, что он смог изгибаться
Чтобы проверить, может ли алмаз вести себя иначе в экстремальных механических условиях, команда Университета Гонконга использовала недавно разработанный метод краевого расслоения для получения ультратонкой гибкой поликристаллической алмазной мембраны.
Уменьшение толщины материала позволило обычно жёсткому алмазу изгибаться значительно сильнее, чем это возможно для массивного алмаза.
Когда исследователи намеренно сгибали мембрану, они зафиксировали стабильные сигналы электрического напряжения.
Затем команда провела масштабную серию циклических механических испытаний в тщательно контролируемых условиях, чтобы убедиться, что получаемый электрический сигнал действительно связан с самим алмазом.
Эксперименты были разработаны таким образом, чтобы исключить влияние окружающей среды и трибоэлектрического эффекта, при котором электрические сигналы могут возникать из-за соприкосновения или трения поверхностей друг о друга.
Напряжение возникало стабильно и многократно, что стало убедительным доказательством того, что сама алмазная мембрана проявляет пьезоэлектрические свойства.
Границы кристаллических зёрен создают электрический эффект
Чтобы понять причину происходящего, исследователи провели подробные расчёты из первых принципов.
Анализ показал, что ключевую роль играет асимметрия на границах зёрен внутри поликристаллической алмазной мембраны.
Эти границы разделяют множество крошечных кристаллов алмаза, из которых состоит материал.
По мере того как мембрана изгибается сильнее, вокруг границ зёрен накапливается электрическая поляризация заряда.
В результате между верхней и нижней поверхностями мембраны возникает разность электрических потенциалов, что и приводит к появлению наблюдаемого напряжения.
Возможности для медицинских устройств и миниатюрных источников энергии
Открытие может дать алмазу новые сферы применения там, где особенно важны долговечность и безопасность.
Алмаз отличается высокой биосовместимостью, химической стабильностью и нетоксичностью, что делает его привлекательным материалом как для медицинских, так и для энергетических технологий.
В будущем пьезоэлектрические алмазные мембраны потенциально могут использоваться в имплантируемых медицинских устройствах — либо как автономные источники энергии, вырабатывающие электричество за счёт механических движений, либо как датчики, способные фиксировать изгибы и деформации.
В более широком смысле результаты исследования открывают новый способ наделить алмаз активными электрическими функциями, вместо того чтобы использовать его исключительно как пассивный конструкционный материал.
Работа также может способствовать созданию микроэнергетических систем нового поколения с повышенной надёжностью и развитию технологий самопитающихся датчиков.
Читайте также:
- Ученые рассказали ка физические упражнения влияют на фибрилляцию предсердий
- Королева Иордании Рания отмечает день рождения новым портретом
