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.

Tento 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