Ερευνητές ανακάλυψαν μια απροσδόκητη ηλεκτρική απόκριση σε υπερλεπτές διαμαντένιες μεμβράνες, αμφισβητώντας μια εκατονταετή υπόθεση σχετικά με το υλικό.
Τα διαμάντια
Το διαμάντι είναι γνωστό για την αντοχή του στην πίεση, τη θερμότητα, τις χημικές ουσίες και τη φθορά. Αλλά οι ερευνητές έχουν πλέον δείξει ότι, όταν είναι αρκετά λεπτό, μπορεί επίσης να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν λυγίσει. Μια υπερλεπτή διαμαντένια μεμβράνη παρήγαγε σταθερά σήματα τάσης υπό μηχανική καταπόνηση, ανατρέποντας την μακροχρόνια υπόθεση ότι το διαμάντι είναι ουσιαστικά μη πιεζοηλεκτρικό.
Η εργασία διεξήχθη από τον καθηγητή Zhiqin Chu του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών και τον καθηγητή Yuan Lin του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (HKU).
Για περισσότερο από έναν αιώνα, το διαμάντι εξαιρούνταν από την κατηγορία των υλικών που μετατρέπουν τη μηχανική παραμόρφωση σε ηλεκτρικό φορτίο. Η εξαιρετική σκληρότητα, η αντοχή, η θερμική αγωγιμότητα, η χημική σταθερότητα, η ακουστική ταχύτητα, η διηλεκτρική αντοχή διάσπασης και το εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα το κατέστησαν πολύτιμο σε προηγμένες συσκευές, αλλά συνήθως μόνο ως ανθεκτική δομική πλατφόρμα για ξεχωριστά πιεζοηλεκτρικά στρώματα σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS). Ως αποτέλεσμα, η ιδέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας απευθείας από το διαμάντι θεωρούνταν ευρέως μη ρεαλιστική.
Οι εύκαμπτες μεμβράνες κάνουν το διαμάντι να ανταποκρίνεται
Χρησιμοποιώντας μια πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδο απολέπισης άκρων, οι ερευνητές του HKU δημιούργησαν μια εξαιρετικά λεπτή και εύκαμπτη πολυκρυσταλλική μεμβράνη διαμαντιού. Κάνοντας το υλικό τόσο λεπτό επέτρεψε στο κανονικά άκαμπτο διαμάντι να κάμπτεται σημαντικά και αυτή η παραμόρφωση παρήγαγε σταθερά μετρήσιμα σήματα τάσης.
Για να διασφαλιστεί ότι τα σήματα δεν προέρχονταν από περιβαλλοντικές παρεμβολές ή τριβοηλεκτρικά αντικείμενα που προκλήθηκαν από επαφή και τριβή, οι ερευνητές κάμπτουν επανειλημμένα τη μεμβράνη υπό διάφορες ελεγχόμενες συνθήκες. Η σταθερή και αναπαραγώγιμη ηλεκτρική έξοδος επιβεβαίωσε ότι η μεμβράνη διαμαντιού εμφάνισε πιεζοηλεκτρική απόκριση.
Τα όρια των κόκκων δημιουργούν την τάση
Οι υπολογισμοί των πρώτων αρχών ανίχνευσαν το φαινόμενο κυρίως σε ασύμμετρα όρια κόκκων, τις διεπαφές όπου συναντώνται μεμονωμένοι κρύσταλλοι διαμαντιού μέσα στη μεμβράνη. Καθώς η κάμψη αυξανόταν, το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρευόταν κατά μήκος αυτών των ορίων, παράγοντας μια διαφορά τάσης μεταξύ της άνω και της κάτω επιφάνειας της μεμβράνης.
Το διαμάντι είναι βιοσυμβατό, χημικά σταθερό και μη τοξικό, καθιστώντας το φαινόμενο δυνητικά χρήσιμο στις ιατρικές και ενεργειακές τεχνολογίες. Οι μελλοντικές εμφυτεύσιμες συσκευές, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικές μεμβράνες διαμαντιού ως αισθητήρες παραμόρφωσης ή ως πηγές ενέργειας που παράγουν τη δική τους ηλεκτρική ενέργεια.
Τα ευρήματα διευρύνουν τις πιθανές χρήσεις του διαμαντιού πέρα από τον παραδοσιακό του ρόλο ως μηχανικό υλικό υποστήριξης. Θα μπορούσαν επίσης να συμβάλουν στην ανάπτυξη αξιόπιστων μικροσκοπικών συστημάτων ενέργειας και συσκευών ανίχνευσης που λειτουργούν χωρίς εξωτερική παροχή ρεύματος.
www.worldenergynews.gr
