Novo istraživanje piezoelektričnog efekta u dijamantu

Kada je u pitanju dijamant, ljudi ga prvo povezuju sa najtvrđom prirodnom supstancom, izuzetnim toplotnim provodnikom i blistavim dragim kamenjem. Čak bi i mnogi fizičari bili iznenađeni kada bi saznali da ovaj ultra-čvrsti mono- materijal također može pokazati piezoelektrične efekte.

 

Početkom 2026., zajednički istraživački tim sa Univerziteta u Hong Kongu, Južnog univerziteta nauke i tehnologije i Univerziteta u Pekingu objavio je revolucionarnu studiju uScience Advances. Ovo otkriće je poništilo utvrđene fizičke teorije, jer su istraživači otkrili istaknut i praktično primjenjiv piezoelektričnost u ultra-tankim, fleksibilnim polikristalnim dijamantskim filmovima.

Šta je piezoelektrični efekat

Prvi put otkriven od strane braće Curie 1880. godine, piezoelektrični efekat se odnosi na pojavu u kojoj određeni materijali stvaraju električni napon pod kompresijom ili napetosti. Suprotno tome, mala fizička deformacija se javlja kada se primjenjuje električna struja. Ostvaruje međusobnu konverziju između mehaničke i električne energije.

 

Osnovni preduvjet za ovaj efekat je ne-centrosimetrična kristalna struktura, gdje se pozitivni i negativni centri naboja ne poklapaju. Vanjska sila pomiče ove naboje i proizvodi makroskopski napon. Savršeno simetrične kristalne strukture ne mogu generirati piezoelektrične odgovore. Ovaj efekat se široko primjenjuje u svakodnevnim proizvodima uključujući upaljače, zujalice, medicinske ultrazvučne sonde i filtere za mobilne telefone.

 

Zašto se dijamant od jednog kristala{0}}otkaže dok polikristalni film radi

Prirodni mono{0}}kristalni dijamant ima visoko simetričnu-centriranu kubičnu rešetku koju čine sp³ hibridizirani atomi ugljika. Njegovi savršeno preklopljeni centri pozitivnog i negativnog naboja nikada se ne pomiču pod vanjskom silom, što rezultira nultim piezoelektričnim naponom. Ovaj zaključak potvrđen 1929. dugo se smatrao neospornim akademskim konsenzusom.

 

Istraživački tim je razbio ovo ograničenje uvođenjem strukturalnih defekata. Sastoje se od brojnih sitnih međusobno povezanih zrna, polikristalni dijamantski filmovi sadrže obilne granice zrna koje narušavaju originalnu simetriju. Teorijski proračuni dokazuju da deformacija savijanja pokreće lokalnu asimetričnu polarizaciju na granicama zrna, proizvodeći mjerljive piezoelektrične odgovore.

Rezultati testa pokazuju da njegova konstanta piezoelektričnog napona dostiže 82,2 mV·m/N, nadmašujući mnoge konvencionalne piezoelektrične materijale.

 

Široki izgledi za primjenu

Dijamant se može pohvaliti vrhunskom tvrdoćom, ultravisokom toplotnom provodljivošću, velikom brzinom zvuka, širokim pojasom, izvanrednom hemijskom stabilnošću i povoljnom biokompatibilnošću. Ranije mu je nedostajala piezoelektričnost, ključno funkcionalno svojstvo.

Ovaj proboj upotpunjuje sveobuhvatne performanse dijamanta, stvarajući sve-napredni materijal prilagodljiv ekstremnim okruženjima kao što su duboko more, svemir i ljudski organizmi. Omogućava istovremeno prikupljanje energije, precizno sensiranje i visoko{2}}aktiviranje.

Obećavajuće aplikacije pokrivaju više polja:

• Medicinski implantati{0}}na vlastiti pogon: Inteligentni srčani stentovi i uređaji za mjerenje glukoze u krvi mogu stalno raditi napajani ljudskom kinetičkom energijom, izbjegavajući ponovljene operacije zamjene.
• Senzori-ekstremnih uslova: Dijamantski senzori pouzdano rade unutar motora aviona, korozivnih cjevovoda i nuklearnih reaktora za praćenje-u realnom vremenu.
• Fleksibilni zdravstveni flasteri: Dijamantske folije koje se savijaju usko se pričvršćuju na ljudsku kožu kako bi otkrile suptilne fiziološke signale i podržavaju dugoročno-nisko{1}}praćenje zdravlja niske snage.
• Komunikacioni i kvantni uređaji sljedeće{0}}generacije: U kombinaciji sa piezoelektričnim performansama, dijamant olakšava rezonatore visokih-performansi za 5G i 6G mreže, i služi kao osnovne komponente u akustičnim kvantnim informacionim sistemima.