Смяташе се, че диамантът не е способен да произвежда електричество чрез механична деформация. Но се оказа, че ултратънките гъвкави диамантени мембрани показват силен и повтаряем пиезоелектричен ефект. Неочакваното откритие може да направи възможно създаването на сензори, захранвани от диаманти, малки енергийни системи и медицински импланти със самостоятелно захранване.
Изследователи от Университета в Хонконг са открили, че ултратънките, силно гъвкави диамантени мембрани могат да произведат измерим пиезоелектричен отговор, оспорвайки предположението, останало валидно повече от век.
Диамантът нарушава вековно правило
От началото на 1900 г. диамантът обикновено се класифицира като непиезоелектричен материал, което означава, че не се очаква да генерира електрическо напрежение при механична деформация.
Това ограничение е оформило начина, по който диамантът се използва в инженерството. Въпреки изключителната си твърдост, здравина, химическа стабилност, висока акустична скорост, топлопроводимост, диелектрична пробивна якост и ултраширока забранена зона, диамантът обикновено служи само като структурна опора за други пиезоелектрични материали в микроелектромеханични системи.
Поради тази причина идеята за генериране на електричество от диаманти дълго време се е смятала за непрактична.
Ултратънките поликристални диамантени мембрани реагират на заредени обекти. (A) Схематично изображение, изобразяващо пиезоелектричния ефект в ултратънката диамантена мембрана, където манипулацията с натискане и освобождаване може да индуцира противоположно изходно напрежение. (B) Хронология, показваща откриването на различни пиезоелектрични материали. (C) Снимки на диамантена мембрана с ширина 5,08 см и дебелина 1 μm (вляво) и малко парче, изрязано от по-голямата мембрана в релаксирано (горе вдясно) и деформирано състояние (долу вдясно). (D) Снимките показват релаксирана диамантена мембрана с дебелина 1 μm (квадратчето с пунктир), висяща от полидиметилсилоксанов субстрат, огъваща се към отрицателно заредена гумена пръчка (вляво) и встрани от положително заредена стъклена пръчка (вдясно). Мембраните се връщат в първоначалното си състояние, когато пръчките се прибират. Кредит: Science Advances, 2026; 12 (12) DOI: 10.1126/sciadv.aea8318
Как да направим диаманта достатъчно тънък, за да се огъне
За да проверят дали диамантът може да се държи различно при екстремни механични условия, екипът на Университета в Хонконг използва наскоро разработен метод за ексфолиране на ръбове, за да произведе ултратънка, гъвкава поликристална диамантена мембрана.
Редуцирането на материала до такава тънка пластина позволява на обикновено твърдия диамант да се огъне много повече, отколкото може диамантът в обичайното си състояние. Когато изследователите огъват мембраната, регистрират стабилни сигнали за напрежение.
След това екипът провежда мащабни експерименти с механично циклични натоварвания при внимателно контролирани условия, за да се увери, че електрическият сигнал на изхода е реален. Тези тестове са предназначени да изключат смущения от околната среда и трибоелектрични ефекти (при които се генерират електрически сигнали, когато повърхностите се допират или трият една в друга и се разделят).
В хода на експеримента напрежението се появява постоянно и многократно, предоставяйки убедително доказателство, че самата диамантена мембрана произвежда пиезоелектричен ефект.
Пиезоелектричеството в диамантената мембрана произлиза от локални асиметрии, въведени от границите на зърната. (A) Схемата показва, че монокристалните диаманти нямат вътрешни граници на зърната, докато двойните и поликристалните диаманти съответно имат симетрични и асиметрични граници. Областите, маркирани в различни цветове, представляват разлики в зърната. (B) Конструиран кристален модел и изчисление на пиезоелектричния коефициент (diJ) по принципите на квантовата механика за едно-, двойни и поликристални диаманти (горен ред). Само поликристалният диамант показва ненулево diJ. Изчислени топлинни карти, илюстриращи вариациите на дължината на връзката ΔlB (среден ред) и поляризацията ΔP (долен ред) в кристала при наложено напрежение от 0,2%. Кредит: Science Advances, 2026; 12 (12) DOI: 10.1126/sciadv.aea8318
Границите на зърната създават електрическия ефект
За да разберат защо се получава този ефект, изследователите извършват подробни изчисления на базата на основните принципи на квантовата механика.
Изчисленията разкриват, че неочакваното пиезоелектричество в поликристалните мембрани произтича от локална асиметрия, индуцирана от границите на зърната, които променят електрическата поляризация в рамките на крайна област близо до границата по време на деформация.
Когато се огъне по-силно мембраната, около границите на зърната се натрупва поляризация на електрическия заряд. Това създава разлика в електрическия потенциал между горната и долната повърхност на мембраната, произвеждайки наблюдаваното напрежение.
Потенциал за медицински устройства и малки енергийни системи
Откритието може да отвори нови възможности за диамантите в области, където издръжливостта и безопасността са особено важни.
Диамантът е силно биосъвместим, химически стабилен и нетоксичен, което го прави привлекателен както за медицински, така и за енергийни технологии. В бъдеще пиезоелектричните диамантени мембрани биха могли да се използват в имплантируеми медицински устройства, които сами си генерират необходимата им енергия или като сензори, които откриват огъване и деформация.
В по-широк смисъл, откритията въвеждат нов начин за придаване на активна електрическа функционалност на диаманта, вместо да се използва само като пасивен структурен материал.
Работата би могла също да подпомогне разработването на високонадеждни микроенергийни системи от следващо поколение и технологии за самостоятелно захранване на сензори.
Справка: Jixiang Jing, Bicong Wang, Yumeng Luo, Yicheng Wang, Zhongqiang Wang, Yiyao Liu, Dong-Keun Ki, Xinghua Shi, Qi Wang, Kwai Hei Li, Yuan Lin, Zhiqin Chu. Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond membranes. Science Advances, 2026; 12 (12) DOI: 10.1126/sciadv.aea8318
Източник: Scientists discover diamonds can generate electricity, The University of Hong Kong
Още по темата
Физика
Екстремната точка на топене на диаманта може да отключи повече енергия от термоядрен синтез
Физика
Нова атомна карта показва, че диамантът превъзхожда силиция в електрониката
Физика
Учени откриха, че ледът генерира електричество, когато се деформира
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Лазери откриват стотици геоглифи от загадъчна цивилизация в тропическа Амазонка преди хиляди години
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?