Алмазные мембраны способны генерировать энергию для медицинских имплантатов
Пьезоэлектрический эффект был впервые описан братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году, когда они обнаружили электрический заряд, возникающий при сжатии кристаллов кварца и тростникового сахара. На протяжении ста лет считалось, что кубическая симметрия кристаллической решетки алмаза исключает возможность такого эффекта. Однако исследование ученых из Гонконга продемонстрировало, что нарушение симметрии на границах наноразмерных зерен позволяет преодолеть ограничения, связанные с монокристаллом. Об этом сообщает сайт TechInsider.
С начала XX века алмаз считался материалом без пьезоэлектрических свойств. Несмотря на свою рекордную твердость, прочность, химическую стойкость и высокую теплопроводность, в микроэлектромеханических системах он использовался только как пассивная опорная подложка. Идея извлечения электричества непосредственно из алмаза долгое время считалась технически невозможной.
Для изучения поведения минерала в экстремальных условиях команда под руководством профессора Чжициня Чу и профессора Юаня Лина разработала ультратонкую поликристаллическую алмазную мембрану методом краевого отслаивания. Нанометровая толщина придает этому обычно жесткому материалу высокую гибкость. При сгибании пленки исследователи зафиксировали стабильный и воспроизводимый электрический сигнал. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Многочисленные эксперименты подтвердили, что вырабатываемый ток является истинным пьезоэлектрическим ответом, а не следствием трения или шумов окружающей среды. Расчеты показали, что электрический эффект возникает из-за асимметрии на границах зерен, разделяющих микроскопические кристаллы в мембране. При изгибе на этих границах накапливается разность электрических потенциалов между верхней и нижней поверхностями.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ И ЭЛЕКТРОНИКИ
Выявленный эффект превращает алмаз из пассивного конструкционного материала в активный элемент микроэлектроники. Биосовместимость, нетоксичность и химическая инертность алмаза делают его идеальным кандидатом для применения внутри человеческого организма. В будущем гибкие алмазные мембраны смогут выдерживать миллионы циклов деформации без износа.
Эти структуры могут стать автономными источниками энергии для кардиостимуляторов, нейроимплантов и умных протезов. Алмазный генератор сможет получать энергию от естественных движений тела. Алмаз практически не подвержен механической «усталости», и такой генератор может функционировать внутри организма десятки лет, что значительно превышает срок службы самого медицинского имплантата.
Кроме того, данная технология откроет новые горизонты для создания сверхнадежных сенсоров деформации и автономных микросистем нового поколения, которые не требуют внешней подзарядки и замены батарей.
