Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (HKU) ανακάλυψαν ότι οι εξαιρετικά λεπτές, εξαιρετικά εύκαμπτες μεμβράνες διαμαντιού μπορούν να παράγουν μια μετρήσιμη πιεζοηλεκτρική απόκριση, αμφισβητώντας μια επιστημονική υπόθεση που ισχύει για περισσότερο από έναν αιώνα.
Το διαμάντι σπάει έναν κανόνα αιώνα
Η εργασία διεξήχθη από τον καθηγητή Zhiqin Chu, Αναπληρωτή Καθηγητή στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, και τον καθηγητή Yuan Lin, Καθηγητή στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (HKU).
Από τις αρχές του 1900, το διαμάντι έχει γενικά ταξινομηθεί ως μη πιεζοηλεκτρικό υλικό, που σημαίνει ότι δεν αναμενόταν να παράγει ηλεκτρική τάση όταν παραμορφώνεται μηχανικά.
Αυτός ο περιορισμός έχει διαμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο το διαμάντι έχει χρησιμοποιηθεί στη μηχανική. Παρά την εξαιρετική σκληρότητα, αντοχή, χημική σταθερότητα, υψηλή ακουστική ταχύτητα, θερμική αγωγιμότητα, διηλεκτρική αντοχή διάσπασης και εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα, το διαμάντι συνήθως χρησίμευε μόνο ως δομική υποστήριξη για άλλα πιεζοηλεκτρικά υλικά σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS). Για αυτόν τον λόγο, η ιδέα της «παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από διαμάντια» θεωρούνταν από καιρό μη πρακτική.
Κάνοντας το διαμάντι αρκετά λεπτό ώστε να λυγίζει
Για να ελέγξει εάν το διαμάντι θα μπορούσε να συμπεριφερθεί διαφορετικά υπό ακραίες μηχανικές συνθήκες, η ομάδα του HKU χρησιμοποίησε μια πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδο απολέπισης άκρων για να παράγει μια εξαιρετικά λεπτή, εύκαμπτη πολυκρυσταλλική μεμβράνη διαμαντιού.
Η μείωση του υλικού σε τόσο λεπτή μορφή επέτρεψε στο κανονικά άκαμπτο διαμάντι να λυγίσει πολύ περισσότερο από ό,τι μπορεί το διαμάντι χύμα. Όταν οι ερευνητές σκόπιμα κάμπτουν τη μεμβράνη, παρατήρησαν σταθερά σήματα τάσης.
Στη συνέχεια, η ομάδα πραγματοποίησε εκτεταμένα πειράματα μηχανικού κύκλου υπό προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες για να βεβαιωθεί ότι η ηλεκτρική έξοδος ήταν γνήσια. Αυτές οι δοκιμές σχεδιάστηκαν για να αποκλείσουν τις περιβαλλοντικές παρεμβολές και τα τριβοηλεκτρικά φαινόμενα, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρικά σήματα όταν οι επιφάνειες έρχονται σε επαφή ή τρίβονται μεταξύ τους.
Η τάση εμφανιζόταν σταθερά και επανειλημμένα, παρέχοντας ισχυρές ενδείξεις ότι η ίδια η μεμβράνη διαμαντιού παρήγαγε μια πιεζοηλεκτρική απόκριση.
Τα όρια των κόκκων δημιουργούν το ηλεκτρικό φαινόμενο
Για να κατανοήσουν γιατί συμβαίνει το φαινόμενο, οι ερευνητές πραγματοποίησαν λεπτομερείς υπολογισμούς πρώτων αρχών. Η ανάλυσή τους υποδεικνύει ασυμμετρία στα όρια των κόκκων μέσα στην πολυκρυσταλλική μεμβράνη διαμαντιού. Αυτά τα όρια διαχωρίζουν τους πολλούς μικροσκοπικούς κρυστάλλους διαμαντιού που αποτελούν το υλικό.
Καθώς η μεμβράνη κάμπτεται πιο έντονα, η πόλωση του ηλεκτρικού φορτίου συσσωρεύεται γύρω από αυτά τα όρια των κόκκων. Αυτό δημιουργεί μια διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ της άνω και της κάτω επιφάνειας της μεμβράνης, παράγοντας την παρατηρούμενη τάση.
Δυνατότητα για ιατρικές συσκευές και μικροσκοπικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να ανοίξει νέες δυνατότητες για το διαμάντι σε τομείς όπου η ανθεκτικότητα και η ασφάλεια είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Το διαμάντι είναι εξαιρετικά βιοσυμβατό, χημικά σταθερό και μη τοξικό, καθιστώντας το ελκυστικό τόσο για ιατρικές όσο και για ενεργειακές τεχνολογίες. Στο μέλλον, οι πιεζοηλεκτρικές μεμβράνες διαμαντιού θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές ως αυτοπαραγωγές πηγές ενέργειας ή ως αισθητήρες που ανιχνεύουν κάμψη και παραμόρφωση.
Σε γενικές γραμμές, τα ευρήματα εισάγουν έναν νέο τρόπο για να δοθεί στο διαμάντι ενεργή ηλεκτρική λειτουργικότητα αντί να χρησιμοποιείται μόνο ως παθητικό δομικό υλικό. Η εργασία θα μπορούσε επίσης να υποστηρίξει την ανάπτυξη μικροσυστημάτων υψηλής αξιοπιστίας επόμενης γενιάς και αυτοτροφοδοτούμενων τεχνολογιών ανίχνευσης.
www.worldenergynews.gr
