С начала XX века физики относили алмаз к материалам без пьезоэлектрических свойств. Инженеры ценят его за рекордную твердость, прочность, химическую стойкость и высокую теплопроводность, но в микроэлектромеханических системах он всегда выполнял исключительно пассивную роль опорной подложки. Идея получать электричество напрямую из алмаза долгое время считалась технически невозможной.
Алмазные мембраны могут генерировать электроэнергию для автономных медицинских имплантатов
Исследователи из Гонконгского университета показали, что ультратонкие гибкие мембраны из алмаза способны генерировать электричество при механической деформации. Это свойство алмаза позволяет создавать долговечные автономные источники питания для встроенных медицинских имплантатов. До сих пор ученые были убеждены, что алмаз не может быть пьезоэлектриком.
Природный необработанный алмаз. Википедия
Пьезоэлектрический эффект открыли братья Пьер и Жак Кюри в 1880 году, обнаружив возникновение электрического заряда при сжатии кристаллов кварца и тростникового сахара. В течение ста лет считалось, что кубическая симметрия кристаллической решетки алмаза принципиально исключает такой эффект. Открытие ученых из Гонконга показало, что нарушение симметрии на границах наноразмерных зерен позволяет обойти фундаментальные ограничения монокристалла.
Чтобы проверить поведение минерала в экстремальных условиях, команда ученых под руководством профессора Чжициня Чу и профессора Юаня Лина создала ультратонкую поликристаллическую алмазную мембрану с помощью метода краевого отслаивания. Нанометровая толщина придала обычно жесткому материалу высокую гибкость. При сгибании этой пленки исследователи зафиксировали стабильный и воспроизводимый электрический сигнал. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Электричество в алмазной мембране обусловлено локальными асимметриями, возникающими из-за границ зерен.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Многочисленные тесты подтвердили, что вырабатываемый ток является подлинным пьезоэлектрическим ответом, а не результатом трения или шумов окружающей среды. Расчеты показали: электрический эффект возникает из-за асимметрии на границах зерен, разделяющих микроскопические кристаллы внутри мембраны. При изгибе на этих границах накапливается разность электрических потенциалов между верхней и нижней поверхностями.
Перспективы для медицины и электроники
Асимметричные отклонения, обусловленные границами зерен при синтезе алмаза, объясняют зависимость пьезоэлектрического эффекта в алмазной мембране от толщины.
Выявленный эффект превращает алмаз из пассивного конструкционного материала в активный элемент микроэлектроники. Биосовместимость, нетоксичность и химическая инертность алмаза делают его идеальным кандидатом для применения внутри человеческого организма. В будущем гибкие алмазные мембраны смогут выдерживать миллионы циклов деформации без износа.
Такие структуры способны стать автономными генераторами энергии для кардиостимуляторов, нейроимплантов и умных протезов. Алмазный генератор может получать энергию от естественных движений тела. Алмаз практически не знает механической «усталости», и такой генератор способен проработать внутри организма десятки лет, то есть гораздо дольше, чем живет сам медицинский имплантат.
Кроме того, технология откроет путь к созданию сверхнадежных сенсоров деформации и автономных микросистем нового поколения, не требующих внешней подзарядки и замены батарей.
Загружаем