Fyzici tomu nemohli uveriť. Diamanty dokážu vyrábať elektrinu, padlo 100-ročné pravidlo
Viac než sto rokov platilo vo fyzike pevných látok nepísané pravidlo, ktoré diamanty odsudzovalo len do úlohy pasívneho pozorovateľa v elektronike. Diamant bol od začiatku 20. storočia kategorizovaný ako nepochybne nepiezoelektrický materiál, čo v praxi znamenalo, že žiadne stláčanie ani deformácia z neho nedokážu dostať ani jediný volt elektrického napätia.
Dostaň Fontech do svojich Google odporúčaní
Pridať ako preferovaný zdroj Fontech, odkaz sa otvorí v novom okneTento zaužívaný limit zásadne ovplyvnil moderné inžinierstvo. Hoci diamant disponuje extrémnou tvrdosťou, fantastickou tepelnou vodivosťou a mimoriadnou chemickou stabilitou, v mikroelektromechanických systémoch slúžil doteraz len ako pasívna mechanická podložka pod iné, aktívne materiály. Podobne fascinujúci pokrok zažíva aj materiálová veda v iných oblastiach, kde napríklad vedci vyrobili z najhoršieho plastu špičkový motorový olej.
Tím inžinierov a fyzikov pod vedením profesora Zhiqina Chua a profesora Yuana Lina z University of Hong Kong (HKU) však prišiel s experimentom, ktorý túto storočnú dogmu definitívne rozbil na kusy. Výsledky ich výskumu ukazujú, že diamant za špecifických podmienok elektrinu skutočne generuje.
Zázrak v podobe ohybného diamantu
Ako prinútiť najtvrdší známy prírodný minerál, aby sa začal správať piezoelektricky? Kľúčom k úspechu bolo zmeniť jeho hrúbku a prinútiť ho ohýbať sa bez toho, aby praskol. Bežný masívny diamant je extrémne krehký a nepoddajný, no v mikroskopických rozmeroch sa fyzikálne vlastnosti dramaticky menia.
Výskumníci z HKU využili novovyvinutú metódu exfoliácie hrán a vyrobili ultratenkú polykryštalickú diamantovú membránu. Táto membrána je natoľko tenká, že vykazuje nevídanú flexibilitu a dovoľuje diamantu výrazné mechanické prehnutie.
Keď vedci membránu opakovane ohýbali, laboratórne prístroje začali okamžite zaznamenávať stabilné a opakovateľné elektrické napätie. Diamant sa tak prvýkrát v histórii premenil na funkčný zdroj elektrickej energie.
Dôkladné vylúčenie vonkajších vplyvov
Pri takto prelomových zisteniach je vždy prvoradé vylúčiť falošné signály a chyby merania. Výskumný tím preto podrobil vzorky stovkám mechanických cyklov v prísne kontrolovanom laboratórnom prostredí, kde eliminoval akékoľvek vonkajšie rušenie.
Vedci museli s istotou vyvrátiť takzvaný triboelektrický efekt, teda vznik statického náboja trením alebo kontaktom rôznych povrchov. Merania však potvrdili, že napäťové impulzy vychádzajú priamo z vnútornej štruktúry namáhaného materiálu.
Signál sa objavoval s dokonalou pravidelnosťou pri každom jednom mechanickom ohybe. Výsledky poskytli jednoznačný a nepriestrelný dôkaz o tom, že diamantová membrána vykazuje skutočnú piezoelektrickú odozvu.
Prečo to funguje: Tajomstvo hraníc kryštálov
Aby výskumníci pochopili mikroskopický pôvod tohto javu, vykonali detailné výpočty z prvých fyzikálnych princípov. Odpoveď leží v špecifickom usporiadaní polykryštalickej štruktúry membrány.
Materiál nie je tvorený jedným monolitickým kryštálom, ale miliardami drobných diamantových kryštálikov oddelených kryštalickými hranicami. A práve na týchto mikroskopických rozhraniach dochádza pri ohýbaní k asymetrii.
Keď sa membrána ohne, pozdĺž týchto hraníc sa začne hromadiť polarizácia elektrického náboja. Medzi horným a spodným povrchom diamantového filmu vzniká merateľný rozdiel elektrických potenciálov, ktorý generuje výsledný prúd.
Revolúcia v medicínskych implantátoch
Objav piezoelektrického správania diamantu má obrovský význam predovšetkým pre praktické aplikácie v medicíne a biológii. Diamant je totiž mimoriadne biokompatibilný, netoxický a chemicky inertný, vďaka čomu nereaguje s ľudským telom ani po rokoch.
V budúcnosti by ultratenké diamantové membrány mohli slúžiť ako samonapájacie zdroje pre medicínske implantáty. Kardiostimulátory alebo senzory v kĺboch by dokázali vyrábať elektrinu priamo z prirodzeného pohybu tela, úderov srdca či dýchania pacienta.
Odpadla by tak nutnosť chirurgických zákrokov zameraných na výmenu vybitých batérií, čo by dramaticky znížilo riziká pre pacientov a posunulo medicínsku technológiu do úplne novej éry.
Nová éra pre mikroenergetiku
Význam tohto objavu ďaleko presahuje samotný medicínsky sektor. Otvára dvere pre novú generáciu mikroelektromechanických systémov (MEMS), kde diamant už nebude len pasívnym nosičom, ale aktívnym funkčným prvkom.
Extrémna odolnosť diamantov voči vysokým teplotám, radiácii a tlaku umožní nasadenie týchto senzorov a mikrogenerátorov v podmienkach, kde bežné polovodiče alebo keramické piezoelektrické materiály okamžite zlyhávajú.
Výskumníci z Hongkongu tak dokázali, že aj v materiáloch preskúmaných do posledného atómu sa stále ukrývajú vlastnosti, ktoré dokážu prepísať učebnice a položiť základy pre technológie budúcnosti.
Čítajte viac z kategórie: Novinky
Ďakujeme, že čítaš Fontech. V prípade, že máš postreh alebo si našiel v článku chybu, napíš nám na redakcia@fontech.sk.
Teraz čítajú

Slováci robia pri kúrení zbytočné chyby. Pozri si jednoduché tipy, ako znížiť účty za energie

Nový akčný film práve dorazil online aj s dabingom. Svet v ňom ovládli monštrá

Myslel som si, že za kvalitné slúchadlá treba zaplatiť viac. Tieto mi však zmenili názor (RECENZIA)

Blízko Zeme našli novú planétu. Dlhé roky sa skrývala pred zrakmi astronómov

Vedci vytvorili robotického psa riadeného ľudskými mozgovými bunkami. Výsledok pripomína sci-fi
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Odchod starostu vyjde obec na 28-tisíc eur. Odstupné môže dosiahnuť päť platov
PREMIUMHypotéky môžu v roku 2027 zvýšiť výdavky, na pohreb je 1 000 eur málo (TÝŽDENNÝ VÝBER)

Štát ponúka Slovákom na digitálny kurz až 1 500 eur: Žiadať môžu aj zamestnaní

Na Slovensko prichádza ochladenie: V dolinách môže byť až −5 °C (PREDPOVEĎ)

Slovenský hrad je na predaj: Ponúka 4 luxusné apartmány aj kaplnku, na obnovu išlo približne 10 miliónov eur
- 24 hod
- 48 hod
- 7 dní
-
- Slovenskí vedci sú blízko k vyriešeniu drahého problému energetiky. Pomôcť má materiál tenší než vlas
- Číňania majú ďalší automobilový megahit. Predali 300 000 kusov jediného SUV a prekonali rekord
- Porušia 30-ročnú tradíciu. Japonská automobilka sa kvôli Číne rozhodla k historickému kroku
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
-
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
- Číňania majú ďalší automobilový megahit. Predali 300 000 kusov jediného SUV a prekonali rekord
- Slovenskí vedci sú blízko k vyriešeniu drahého problému energetiky. Pomôcť má materiál tenší než vlas
- Porušia 30-ročnú tradíciu. Japonská automobilka sa kvôli Číne rozhodla k historickému kroku
-
- Vedci vytvorili motor, aký svet ešte nevidel. 2000-ročný vynález zvýšil elektrický prúd až 100-násobne
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
- Nemci riešia bezpečnostnú nočnú moru elektromobilov. Po Volkswagene zasiahla aj Audi
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
- Nové sci-fi konečne dorazilo online. Stojí za ním tvorca Gladiátora
Volkswagen prepustí až 100-tisíc ľudí. Z Nemecka napriek tomu zazneli prekvapivé slová
Európa čakala veľký solárny prepad. Zatmenie ukázalo, prečo veľké číslo pre Slovensko neplatilo
Výrobcom počítačov a mobilov končí obľúbený trik. EÚ prísne skoncuje s falošnou ekológiou
Má stáť zelená energia 120 eur za MWh? ÚRSO označil zelenú energiu za drahý omyl, pravda je iná
Európa chcela odstrihnúť Putina, deje sa však opak. Dovoz ruského LNG prudko vzrástol
USA chystajú vesmírny štít za 160 miliárd eur. Prvý ostrý zásah príde v roku 2029
Mochovce dosiahli kľúčový míľnik. Štvrtý blok už rozbehol jadrovú reakciu
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Odchod starostu vyjde obec na 28-tisíc eur. Odstupné môže dosiahnuť päť platov
PREMIUMHypotéky môžu v roku 2027 zvýšiť výdavky, na pohreb je 1 000 eur málo (TÝŽDENNÝ VÝBER)

Štát ponúka Slovákom na digitálny kurz až 1 500 eur: Žiadať môžu aj zamestnaní

Na Slovensko prichádza ochladenie: V dolinách môže byť až −5 °C (PREDPOVEĎ)

