Учёные обнаружили у алмаза неожиданное свойство — он способен вырабатывать электричество

Алмаз давно перестал быть исключительно драгоценным камнем. Благодаря своей исключительной твёрдости он используется в режущих инструментах, а современные технологии позволяют усиливать его углеродными нанотрубками, снижая хрупкость материала. Исследователи также рассматривают алмазную пыль как один из потенциальных инструментов для охлаждения планеты.

Теперь у этого материала обнаружилось ещё одно необычное свойство.

Более ста лет считалось, что алмаз не обладает пьезоэлектрическим эффектом — способностью материала создавать электрический заряд при механической деформации. Для обычного массивного алмаза такое предположение выглядит вполне логично: кристалл чрезвычайно твёрдый и практически не растягивается, не сжимается и не меняет форму под воздействием внешней силы.

Однако учёные из Гонконгского университета решили проверить, сохраняется ли это представление для чрезвычайно тонких алмазных мембран.

Если такой эффект действительно существует, он может изменить подход к созданию микромеханических систем, где алмаз уже используется в качестве опорного материала для других пьезоэлектрических компонентов.

Алмаз толщиной всего в один микрон

Для эксперимента исследователям сначала потребовалось получить алмазную мембрану, достаточно тонкую, чтобы её можно было согнуть.

Материал выращивали на кремниевой подложке методом химического осаждения из паровой фазы с использованием микроволновой плазмы (CVD). Технология позволяет формировать тонкие плёнки, последовательно осаждая атомы материала на поверхность подложки.

Затем учёные отделили полученную мембрану от кремния. Для этого применялись методика exfoliation с доступом к краю материала и прозрачная липкая лента. В результате удалось получить алмазную мембрану шириной два дюйма и толщиной всего один микрон.

После этого исследователи приступили к механическим испытаниям.

Для контролируемого изгиба мембрану закрепили на прочной, но гибкой подложке из полиэтилентерефталата (PET). Один конец конструкции фиксировали, а к другому прикладывали силу. Это позволяло точно изменять степень деформации алмаза и одновременно регистрировать возникающий электрический сигнал.

Электрический заряд оказался реальным

После серии циклов механического воздействия исследователи зафиксировали электрический отклик.

При этом учёные отдельно исключили влияние внешних факторов, включая воздействие окружающей среды и трибоэлектрический эффект, возникающий при трении материалов друг о друга.

По мнению авторов исследования, ключевую роль играют асимметричные границы зёрен — участки, разделяющие отдельные кристаллические области внутри алмазной мембраны. Именно они способствуют накоплению поляризации электрического заряда и формированию разности потенциалов между верхней и нижней поверхностями мембраны.

При этом выраженность пьезоэлектрического эффекта зависит от толщины материала. Наиболее заметный отклик исследователи получили у мембран толщиной около 5 мкм.

Учёные связывают такую зависимость с асимметричными особенностями, которые возникают на границах зёрен в процессе синтеза алмаза.

От имплантов до микромеханики

Практическое значение открытия может оказаться значительно шире самого эксперимента.

Алмаз химически стабилен и нетоксичен, поэтому материалы на его основе потенциально подходят для технологий, работающих внутри организма. Одним из возможных направлений исследователи называют медицинские импланты, которые смогут самостоятельно вырабатывать энергию за счёт механических движений.

Пьезоэлектрическая алмазная мембрана также может оказаться востребована в энергетике и микромеханических системах, где требуется одновременно высокая прочность материала и возможность преобразовывать механическое воздействие в электрический сигнал.

Таким образом, материал, который десятилетиями воспринимался прежде всего как исключительно твёрдый и химически устойчивый кристалл, может получить ещё одну важную функцию — преобразовывать механическую энергию в электрическую.