Ученые выяснили, что алмазы могут вырабатывать электричество

Ученые из Гонконгского университета (HKU) обнаружили, что сверхтонкие и гибкие алмазные мембраны способны вырабатывать электричество, что опровергает научное предположение, существовавшее более века.

Работу возглавили профессор Чжицинь Чу с кафедры электротехники и вычислительной техники и профессор Юань Линь с кафедры машиностроения инженерного факультета Гонконгского университета.

Алмаз нарушает вековое правило

С начала 1900-х годов алмаз классифицировался как непьезоэлектрический материал, то есть считалось, что он не генерирует электрическое напряжение при механической деформации. Это ограничение определяло его применение в инженерии. Несмотря на исключительную твердость, прочность, химическую стабильность и другие выдающиеся свойства, алмаз обычно использовался лишь как структурная опора для других пьезоэлектрических материалов в микроэлектромеханических системах (МЭМС).

Тонкий алмаз гнется

Чтобы проверить поведение алмаза в экстремальных механических условиях, команда использовала метод краевого отслаивания для создания ультратонкой гибкой поликристаллической алмазной мембраны. Такая форма позволила обычно жесткому алмазу изгибаться гораздо сильнее, чем объемному материалу. При намеренном изгибе мембраны исследователи наблюдали стабильные сигналы напряжения.

Эксперименты с механическим циклированием в контролируемых условиях исключили влияние окружающей среды и трибоэлектрических эффектов. Напряжение возникало последовательно и многократно, что подтверждает подлинность пьезоэлектрического отклика самой мембраны.

Причина эффекта — границы зерен

Детальные расчеты показали, что эффект возникает из-за асимметрии на границах зерен внутри поликристаллической алмазной мембраны. При сильном изгибе вокруг этих границ накапливается поляризация электрического заряда, создающая разность потенциалов между верхней и нижней поверхностями мембраны.

Перспективы для медицины и микроэнергетики

Открытие может расширить применение алмаза в областях, где важны долговечность и безопасность. Алмаз биосовместим, химически стабилен и нетоксичен, что делает его привлекательным для медицинских и энергетических технологий. В будущем пьезоэлектрические алмазные мембраны могут использоваться в имплантируемых медицинских устройствах как источники питания или датчики деформации.

Работа также может поддержать разработку высоконадежных микроэнергетических систем и технологий самопитающихся датчиков нового поколения.

Источники: sciencedaily.com, Гонконгский университет

Исследование опубликовано в журнале Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.aea8318).