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

Pred dvoma rokmi ohúril svet a teraz sa vracia. Nový akčný film už o pár dní dorazí online

Elektromobil, ktorý nabiješ za 9 minút, prichádza do Európy. Doma však ľudí nezaujal

VIDEO: Vikingovia dostávajú nástupcu. Nový seriál sa ukazuje v plnej paráde a dorazí aj s prekvapením

Automobilky majú veľkú dilemu: Kia povedala pravdu o EV, ktorú Brusel nechce počuť

Najväčšia zbrojovka sveta ukázala odpoveď na hypersonické zbrane. Dostanú ju Patrioty
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Rodina 160 rokov potichu budovala potravinárske impérium. Vyrába jedlo, ktoré si Slováci obľúbili

Banky mu nepožičali, na prvú reštauráciu si zarobil v rafinérii. Teraz má majetok 17 miliárd eur

Slováci rozdávali politikom známky ako v škole. Šimkovičová prepadla, prekvapil víťaz

Slovenskí zamestnávatelia vo veľkom naberajú ľudí nad 50 rokov: Vekové stereotypy ustupujú tvrdej realite

Tri fabriky presúvajú výrobu zo Slovenska. Končí sa aj tradícia dlhšia ako 200 rokov
- 24 hod
- 48 hod
- 7 dní
-
- Automobilky majú veľkú dilemu: Kia povedala pravdu o EV, ktorú Brusel nechce počuť
- Skylink na Slovensku končí. Nahradí ho známa značka, diváci dostanú nové TV stanice
- Prekvapivá krajina má obrovský záujem o slovenské zbrane. Kúpia pokročilé systémy za milióny eur
- Predbehla Netflix a rastie ďalej. Slovenská streamovacia služba prilákala 800-tisíc divákov
- Po 40 rokoch sa vrátili do zlatej bane a našli jackpot. Kritický materiál dostanú zbrane budúcnosti
-
- Prekvapivá krajina má obrovský záujem o slovenské zbrane. Kúpia pokročilé systémy za milióny eur
- Skylink na Slovensku končí. Nahradí ho známa značka, diváci dostanú nové TV stanice
- Automobilky majú veľkú dilemu: Kia povedala pravdu o EV, ktorú Brusel nechce počuť
- Po 40 rokoch sa vrátili do zlatej bane a našli jackpot. Kritický materiál dostanú zbrane budúcnosti
- Energetický prevrat v Európe. Blízko Slovenska leží obrovské ložisko s 43 miliónmi ton vzácnej suroviny
-
- Černobyľ po 40 rokoch opäť prekvapil vedcov. Odhalili nečakanú vlastnosť rádioaktívneho paliva
- O toto išlo Rusom celý čas. Obsadili jedno z najväčších ložísk dôležitej suroviny v Európe
- Prekvapivá krajina má obrovský záujem o slovenské zbrane. Kúpia pokročilé systémy za milióny eur
- Skylink na Slovensku končí. Nahradí ho známa značka, diváci dostanú nové TV stanice
- Európska jadrová veľmoc ukázala svoju novú zbraň s doletom 9500 km. Letí rýchlosťou až Mach 20
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

Rodina 160 rokov potichu budovala potravinárske impérium. Vyrába jedlo, ktoré si Slováci obľúbili

Banky mu nepožičali, na prvú reštauráciu si zarobil v rafinérii. Teraz má majetok 17 miliárd eur

Slováci rozdávali politikom známky ako v škole. Šimkovičová prepadla, prekvapil víťaz

Slovenskí zamestnávatelia vo veľkom naberajú ľudí nad 50 rokov: Vekové stereotypy ustupujú tvrdej realite

