Учёные обнаружили, что сверхтонкие алмазные мембраны способны вырабатывать электричество

Алмаз традиционно считают одним из самых прочных и химически устойчивых материалов на Земле. Теперь исследователи обнаружили у него ещё одно неожиданное свойство: при определённых условиях алмаз может преобразовывать механическую деформацию в электрический сигнал. Речь идёт не об обычном драгоценном камне, а о сверхтонких гибких мембранах из поликристаллического алмаза. Открытие совершила группа учёных из Гонконгского университета под руководством профессоров Чжицина Чу и Юаня Линя. Исследователям удалось получить устойчивый и воспроизводимый пьезоэлектрический эффект, который ранее для алмаза считался невозможным.

В перспективе разработка может найти применение в медицинских имплантатах, миниатюрных источниках энергии и автономных датчиках. Пьезоэлектрическим называют эффект, при котором материал создаёт электрическое напряжение в ответ на сжатие, растяжение или изгиб. Такое свойство характерно, например, для кварца и некоторых видов керамики. Его активно используют в датчиках, микрофонах, зажигалках, медицинском оборудовании и других электронных устройствах. Однако начиная с первых десятилетий XX века алмаз относили к непьезоэлектрическим материалам. Структура обычного алмазного кристалла слишком симметрична, поэтому при его деформации не должно возникать разделения электрических зарядов. Это научное представление сохранялось более ста лет и во многом определяло роль алмаза в современной технике.

Несмотря на исключительную твёрдость, химическую стабильность, высокую теплопроводность и способность выдерживать значительные электрические нагрузки, алмаз обычно использовали как пассивный конструкционный материал. В микроэлектромеханических системах он служил прочной основой для других веществ, уже обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Возможность получать электрический сигнал непосредственно от самого алмаза долгое время считалась практически нереальной. Учёные из Гонконгского университета решили проверить, сохранится ли это правило, если сделать алмазный материал настолько тонким, чтобы он мог свободно изгибаться. При помощи недавно разработанного метода расслоения по краям исследователи изготовили ультратонкую мембрану из поликристаллического алмаза. В отличие от цельного алмазного кристалла, такая мембрана состоит из множества мельчайших кристаллических зёрен.

Благодаря минимальной толщине материал, обычно отличающийся высокой жёсткостью, приобрёл заметную гибкость. Когда исследователи начали сгибать мембрану, измерительные приборы зафиксировали возникающее электрическое напряжение. Чтобы убедиться в достоверности результата, учёные многократно повторили механические испытания в контролируемых условиях. Особое внимание уделялось исключению посторонних факторов, включая трибоэлектрический эффект, при котором электрические заряды возникают из-за контакта или трения двух поверхностей. Во время повторных циклов изгибания алмазная мембрана продолжала стабильно создавать электрический сигнал. Расчёты показали, что источник необычного эффекта находится на границах между отдельными кристаллическими зёрнами. В этих участках структура материала теряет идеальную симметрию, характерную для цельного алмаза.

При изгибании мембраны возле границ зёрен возникает электрическая поляризация, а между верхней и нижней поверхностями образуется разность потенциалов. В результате механическое движение преобразуется в измеримое напряжение. Открытие не означает, что обычный бриллиант можно использовать вместо батарейки. Для возникновения эффекта необходима специально изготовленная сверхтонкая поликристаллическая мембрана, способная изгибаться. Тем не менее результаты показывают, что алмаз может выступать не только в качестве прочной основы, но и как активный электрический компонент.

Одним из наиболее перспективных направлений применения технологии могут стать имплантируемые медицинские устройства. Алмаз отличается биосовместимостью, химической устойчивостью и нетоксичностью. Гибкая мембрана потенциально способна превращать движения человеческого тела в небольшое количество энергии или работать как чувствительный датчик, регистрирующий давление, изгиб и деформацию. Такие элементы также могут использоваться в микроэлектромеханических системах, миниатюрных генераторах и автономных сенсорах, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях.

Высокая прочность алмаза позволит создавать долговечные устройства, способные работать там, где обычные материалы быстро разрушаются или теряют свои свойства. Исследование меняет устоявшееся представление о физических возможностях алмаза. Материал, который более века считался неспособным к пьезоэлектрическому отклику, продемонстрировал это свойство после изменения своей толщины и внутренней структуры. Теперь учёным предстоит определить, насколько эффективно алмазные мембраны смогут производить электричество и можно ли будет наладить их практическое изготовление в необходимых масштабах.

• Учёные разработали жевательную резинку, которая может снижать уровень HPV и опасных бактерий во рту
• Ученые расплавили алмаз при давлении выше, чем в недрах Нептуна
• Учёные превратили спутники Starlink в гигантский сканер верхних слоёв атмосферы
• Новый катализатор позволит сократить расход платины в водородных топливных элементах на 75%
• Управляемые микротрещины помогли создать сверхмалые пиксели из квантовых точек
• Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов
• Квантовый сенсор поможет искать темную материю
• Смартфоны родителей могут тревожить подростков