به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از Science Advances، تصور می‌شد الماس قادر به تولید الکتریسیته از طریق تغییر شکل مکانیکی نیست، اما غشاهای الماس فوق‌العاده نازک و انعطاف‌پذیر اکنون یک اثر پیزوالکتریک قوی و تکرارپذیر را نشان داده‌اند. این کشف غیرمنتظره می‌تواند دریچه‌ای به سوی حسگرهای الماسی، سیستم‌های انرژی کوچک و ایمپلنت‌های پزشکی خودـتغذیه‌کننده بگشاید.

محققان دانشگاه هنگ کنگ (HKU) کشف کرده‌اند که غشاهای الماس فوق نازک و بسیار انعطاف‌پذیر می‌توانند پاسخ پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری ایجاد کنند و یک فرض علمی را که بیش از یک قرن پابرجا بوده است، به چالش می‌کشند.

این تحقیق توسط پروفسور «ژیکین چو»، دانشیار گروه مهندسی برق و کامپیوتر و پروفسور «یوان لین»، استاد گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی دانشگاه هنگ کنگ (HKU) انجام شد.

الماس یک قانون صد ساله را می‌شکند

از اوایل دهه ۱۹۰۰، الماس عموماً به عنوان یک ماده غیر پیزوالکتریک طبقه‌بندی می‌شد؛ به این معنی که انتظار نمی‌رفت هنگام تغییر شکل مکانیکی، ولتاژ الکتریکی تولید کند.

این محدودیت، نحوه استفاده از الماس در مهندسی را شکل داده است. با وجود سختی، استحکام، پایداری شیمیایی، سرعت صوتی بالا، رسانایی حرارتی، استحکام شکست دی‌الکتریک و شکاف باند فوق عریض، الماس معمولاً فقط به عنوان یک تکیه‌گاه ساختاری برای سایر مواد پیزوالکتریک در سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) عمل کرده است.

به همین دلیل، ایده «تولید برق از الماس» مدت‌ها غیرعملی تلقی می‌شد.

ساخت الماس به اندازه‌ای نازک که بتوان آن را خم کرد

برای آزمایش این که آیا الماس می‌تواند تحت شرایط مکانیکی شدید رفتار متفاوتی داشته باشد، تیم HKU از یک روش لایه‌برداری لبه که به تازگی توسعه داده شده بود، برای تولید یک غشای الماس پلی‌کریستالی فوق‌العاده نازک و انعطاف‌پذیر استفاده کرد.

کاهش ماده به چنین شکل نازکی به الماس معمولاً سفت و سخت اجازه داد تا بسیار بیشتر از آن چه الماس حجیم می‌تواند خم شود، خم شود. هنگامی که محققان عمداً غشا را خم کردند، سیگنال‌های ولتاژ پایداری را مشاهده کردند.

سپس این تیم آزمایش‌های چرخه مکانیکی گسترده‌ای را تحت شرایط کنترل‌شده دقیق انجام داد تا مطمئن شود که خروجی الکتریکی واقعی است. این آزمایش‌ها برای رد تداخل محیطی و اثرات تریبوالکتریک طراحی شده بودند که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را هنگام تماس یا مالش سطوح به یکدیگر تولید کنند.

ولتاژ به طور مداوم و مکرر ظاهر می‌شد و شواهد محکمی ارائه می‌داد که خود غشای الماس یک پاسخ پیزوالکتریک ایجاد می‌کند.

مرزهای دانه اثر الکتریکی را ایجاد می‌کنند

برای درک این که چرا این اثر رخ می‌دهد، محققان محاسبات دقیق اصول اولیه را انجام دادند.

تجزیه و تحلیل آنها به عدم تقارن در مرزهای دانه‌ای درون غشای الماس پلی‌کریستالی اشاره دارد. این مرزها، کریستال‌های ریز الماس بیشتری را از هم جدا می‌کنند که تشکیل دهنده ماده هستند.

با خم شدن قوی‌تر غشا، قطبش بار الکتریکی در اطراف آن مرزهای دانه‌ای ایجاد می‌شود. این امر باعث ایجاد اختلاف در پتانسیل الکتریکی بین سطوح بالایی و پایینی غشا می‌شود و ولتاژ مشاهده شده را تولید می‌کند.

پتانسیل برای دستگاه‌های پزشکی و سیستم‌های قدرت کوچک

این کشف می‌تواند امکانات جدیدی برای الماس ایجاد کند؛ در حوزه‌هایی که دوام و ایمنی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

الماس بسیار زیست‌سازگار، از نظر شیمیایی پایدار و غیرسمی است و آن را برای فناوری‌های پزشکی و مرتبط با انرژی جذاب می‌کند. در آینده، غشاهای الماس پیزوالکتریک می‌توانند به طور بالقوه در دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت به عنوان منابع انرژی خودتولیدکننده یا به عنوان حسگرهایی که خم شدن و تغییر شکل را تشخیص می‌دهند، استفاده شوند.

به طور گسترده‌تر، این یافته‌ها روش جدیدی را برای ارائه عملکرد الکتریکی فعال به الماس به جای استفاده از آن فقط به عنوان یک ماده ساختاری غیرفعال معرفی می‌کنند.

این کار همچنین می‌تواند از توسعه سیستم‌های میکرو انرژی با قابلیت اطمینان بالا و فناوری‌های حسگر خودتوان نسل بعدی پشتیبانی کند.