Алмазы никогда не считались пьезоэлектрическими, поскольку для выработки электричества необходимо изгибать и деформировать материалы, а алмазы такими свойствами не обладают.
Алмазы обычно ценятся за свой ослепительный блеск, но эти продукты углерода, тепла, давления и времени имеют гораздо большее применение, чем просто красивое украшение. Поскольку это самый твердый природный минерал в мире, режущие инструменты часто изготавливаются с использованием алмазов, чтобы они могли разрезать самые твердые материалы. Алмазы также можно упрочнить углеродными нанотрубками, чтобы устранить их хрупкость. Более того, алмазная пыль может даже помочь охладить планету. Что касается алмазов, то ажиотаж вокруг них вполне оправдан.
Хотя алмазы ценились тысячелетиями, ученые до сих пор продолжают изучать эти невероятные кубические углеродные решетки. Более века ученые считали, что алмазы не являются пьезоэлектрическими — термином, обозначающим материалы, которые генерируют электрический заряд при механическом воздействии. В определенной степени это логично — в конце концов, алмазы не славятся своей способностью растягиваться, сжиматься и деформироваться.
И хотя это справедливо для обычных алмазов, группа исследователей из Гонконгского университета задалась вопросом, может ли тонкая алмазная мембрана представлять собой совсем другую картину. Если алмазы могут быть пьезоэлектрическими, это свойство кардинально изменит микромеханические системы, которые используют алмазы просто для поддержки других пьезоэлектрических материалов.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые стремились доказать эту идею, но первым серьезным препятствием стало создание алмаза, достаточно тонкого для изгиба. Для этого они вырастили алмазные мембраны на кремниевой подложке с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD) с использованием микроволновой плазмы. Этот метод действует как высокотехнологичный 3D-принтер, использующий микроволны для превращения реактивной плазмы в тонкие пленки, размещая их атом за атомом на тонкой подложке. Затем исследователи аккуратно удалили алмазную мембрану, используя эксфолиацию с обнажением краев и прозрачную клейкую ленту, которая в конечном итоге позволила отделить алмазную мембрану шириной два дюйма и толщиной в один микрон. После этого они приступили к изгибанию.
«Для контролируемого изгиба мембрана крепится к прочной и гибкой подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТ)», — пишут авторы. «Закрепив один конец собранного устройства и приложив усилие к другому концу, мы можем точно контролировать деформацию алмазной мембраны и измерять любые возникающие электрические сигналы».
После проведения этих экспериментов по механическому циклированию исследователи отметили — исключив возможные эффекты окружающей среды или трибоэлектрические (или, другими словами, трение) воздействия — что алмаз действительно вырабатывает электрический ток. Они обнаружили, что асимметричные границы зерен, разделяющие кристаллические решетки, из которых состоит мембрана, создают поляризацию электрического заряда, формируя потенциал между верхней и нижней поверхностями мембраны.
«Пьезоэлектрический эффект зависит от толщины мембраны, при этом наиболее выраженный отклик наблюдается при толщине мембран около 5 мкм», — пишут авторы. «Асимметричные вариации, вызванные границами зерен в процессе синтеза алмаза, объясняют, почему пьезоэлектрический эффект зависит от толщины мембраны».
Благодаря своей нетоксичности и химической стабильности, алмазная мембрана, вырабатывающая электричество, может стать очень востребованной в энергетической и медицинской отраслях, потенциально превратившись в ключевой элемент технологий в имплантатах, способных к автономному питанию.
Алмазы заслуживают того восхищения, которое они вызывают, — и не только в одном смысле.
https://www.popularmechanics.com/science/a73586328/diamonds-piezoelectric