Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ ανακάλυψαν ότι εξαιρετικά λεπτές και εύκαμπτες μεμβράνες διαμαντιού μπορούν να εμφανίσουν πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά, παράγοντας ηλεκτρική τάση όταν κάμπτονται ή δέχονται μηχανική πίεση.
- Παρότι τα διαμάντια θεωρούνταν επί περισσότερο από έναν αιώνα μη πιεζοηλεκτρικά, οι ερευνητές απέδειξαν ότι εύκαμπτες πολυκρυσταλλικές μεμβράνες διαμαντιού παράγουν ηλεκτρική τάση όταν παραμορφώνονται.
- Το φαινόμενο αποδίδεται στις ασύμμετρες περιοχές στα όρια μεταξύ των μικροσκοπικών κρυστάλλων, οι οποίες μεταβάλλουν την ηλεκτρική πόλωση όταν η μεμβράνη κάμπτεται. Η ισχυρότερη απόκριση καταγράφηκε σε πάχος περίπου 5 μικρομέτρων.
- Χάρη στη χημική σταθερότητα, την ανθεκτικότητα και τη βιοσυμβατότητα του διαμαντιού, η τεχνολογία θα μπορούσε μελλοντικά να αξιοποιηθεί σε συστήματα συλλογής ενέργειας, αισθητήρες, φορετές συσκευές και αυτοτροφοδοτούμενα εμφυτεύματα.
Τα διαμάντια εκτιμώνται συνήθως για την εκθαμβωτική λάμψη τους. Ωστόσο, αυτά τα προϊόντα του άνθρακα, της θερμότητας, της πίεσης και του χρόνου έχουν χρησιμότητα που ξεπερνά κατά πολύ τον ρόλο ενός όμορφου κοσμήματος στο δάχτυλό μας.
Επειδή το διαμάντι είναι το σκληρότερο φυσικό ορυκτό στον κόσμο, χρησιμοποιείται συχνά σε κοπτικά εργαλεία, τα οποία μπορούν να διαπεράσουν ακόμη και εξαιρετικά ανθεκτικά υλικά.
Τα διαμάντια μπορούν επίσης να ενισχυθούν με νανοσωλήνες άνθρακα, ώστε να περιοριστεί η ευθραυστότητά τους. Επιπλέον, έχει προταθεί ακόμη και η χρήση σκόνης διαμαντιού για την ψύξη του πλανήτη μέσω γεωμηχανικής.
Όταν πρόκειται για τα διαμάντια, λοιπόν, ο ενθουσιασμός δεν είναι αδικαιολόγητος.
Παρότι οι άνθρωποι τα εκτιμούν εδώ και χιλιετίες, οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν νέες ιδιότητες αυτών των εντυπωσιακών κυβικών πλεγμάτων άνθρακα.
Για περισσότερο από έναν αιώνα θεωρούσαν ότι τα διαμάντια δεν είναι πιεζοηλεκτρικά — ότι, δηλαδή, δεν μπορούν να παράγουν ηλεκτρικό φορτίο όταν δέχονται μηχανική πίεση ή παραμορφώνονται.
Σε έναν βαθμό, αυτή η παραδοχή φαινόταν λογική. Τα διαμάντια, άλλωστε, δεν είναι γνωστά για την ικανότητά τους να τεντώνονται, να συμπιέζονται ή να παραμορφώνονται.
Τι αλλάζει όταν το διαμάντι γίνει εξαιρετικά λεπτό
Αυτό ισχύει για τα ογκώδη κομμάτια διαμαντιού. Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ αναρωτήθηκε, όμως, εάν μια πολύ λεπτή μεμβράνη διαμαντιού θα μπορούσε να συμπεριφέρεται διαφορετικά.
Εάν το διαμάντι μπορούσε να εμφανίσει πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες, η ανακάλυψη θα είχε σημαντικές συνέπειες για τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα. Σήμερα, σε αρκετές τέτοιες εφαρμογές, το διαμάντι λειτουργεί απλώς ως βάση που υποστηρίζει άλλα πιεζοηλεκτρικά υλικά.
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, οι ερευνητές επιχείρησαν να αποδείξουν αυτή την υπόθεση. Το πρώτο μεγάλο εμπόδιο ήταν να κατασκευάσουν μια διαμαντένια μεμβράνη αρκετά λεπτή ώστε να μπορεί να λυγίσει.
Για να το πετύχουν, ανέπτυξαν τις μεμβράνες πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται χημική εναπόθεση ατμών με πλάσμα μικροκυμάτων, ή microwave plasma CVD.
Η μέθοδος λειτουργεί περίπου σαν ένας εξαιρετικά προηγμένος τρισδιάστατος εκτυπωτής. Χρησιμοποιεί μικροκύματα για να δημιουργήσει αντιδραστικό πλάσμα, από το οποίο σχηματίζεται σταδιακά ένα εξαιρετικά λεπτό φιλμ, άτομο προς άτομο, πάνω στο υπόστρωμα.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές αφαίρεσαν προσεκτικά τη διαμαντένια μεμβράνη με μια τεχνική αποκόλλησης από εκτεθειμένη άκρη και τη βοήθεια διαφανούς κολλητικής ταινίας.
Έτσι αποδέσμευσαν μια μεμβράνη διαμέτρου περίπου δύο ιντσών και πάχους μόλις ενός μικρομέτρου. Έπειτα άρχισαν να τη λυγίζουν.
«Για να επιτύχουμε ελεγχόμενη κάμψη, η μεμβράνη προσαρτάται σε ένα ανθεκτικό και εύκαμπτο υπόστρωμα τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου, γνωστού ως PET», έγραψαν οι επιστήμονες.
«Στερεώνοντας το ένα άκρο της συναρμολογημένης συσκευής και ασκώντας δύναμη στο άλλο, μπορούμε να ελέγξουμε με ακρίβεια την παραμόρφωση της διαμαντένιας μεμβράνης και να μετρήσουμε οποιαδήποτε ηλεκτρική έξοδο προκύπτει».
Το διαμάντι παρήγαγε ηλεκτρική τάση
Μετά τη διεξαγωγή επαναλαμβανόμενων πειραμάτων μηχανικής κάμψης, οι ερευνητές απέκλεισαν πιθανές περιβαλλοντικές επιδράσεις, καθώς και τον τριβοηλεκτρισμό — την παραγωγή ηλεκτρικού φορτίου λόγω τριβής.
Τότε επιβεβαίωσαν ότι η ίδια η διαμαντένια μεμβράνη παρήγαγε ηλεκτρική τάση.
Η πηγή του φαινομένου εντοπίστηκε στα ασύμμετρα όρια των κόκκων, δηλαδή στις περιοχές που χωρίζουν τους επιμέρους κρυσταλλικούς σχηματισμούς από τους οποίους αποτελείται η πολυκρυσταλλική μεμβράνη.
Όταν το υλικό παραμορφώνεται, η ασυμμετρία σε αυτά τα σημεία προκαλεί συσσώρευση ηλεκτρικής πόλωσης, δημιουργώντας διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην επάνω και την κάτω επιφάνεια της μεμβράνης.
«Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται από το πάχος της μεμβράνης, με την εντονότερη απόκριση να εμφανίζεται σε μεμβράνες πάχους περίπου πέντε μικρομέτρων», έγραψαν οι συντάκτες.
«Οι ασύμμετρες μεταβολές που προκαλούν τα όρια των κόκκων κατά τη σύνθεση του διαμαντιού εξηγούν γιατί το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται από το πάχος της μεμβράνης».
Σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ, η μέγιστη απόκριση αντιστοιχούσε σε πιεζοηλεκτρικό συντελεστή τάσης περίπου 82,2 millivolt-μέτρα ανά newton, επίδοση που ξεπερνά εκείνη αρκετών συμβατικών πιεζοηλεκτρικών υλικών.
Οι πιθανές εφαρμογές
Το διαμάντι είναι χημικά σταθερό, ανθεκτικό και μη τοξικό. Μια εύκαμπτη μεμβράνη που μετατρέπει τη μηχανική καταπόνηση σε ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε, επομένως, να προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον από τους κλάδους της ενέργειας, των ηλεκτρονικών και της ιατρικής.
Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα συλλογής ενέργειας, έξυπνους αισθητήρες και φορετές ηλεκτρονικές συσκευές. Μακροπρόθεσμα, οι ερευνητές εξετάζουν και το ενδεχόμενο εφαρμογών σε ιατρικά εμφυτεύματα που θα αξιοποιούν τις κινήσεις του σώματος για να καλύπτουν μέρος των ενεργειακών αναγκών τους.
Αυτό παραμένει προς το παρόν μια πιθανή μελλοντική εφαρμογή και όχι μια έτοιμη ιατρική τεχνολογία. Το εργαστηριακό εύρημα, όμως, αποδεικνύει ότι, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, ένα υλικό που για περισσότερο από 100 χρόνια θεωρούνταν μη πιεζοηλεκτρικό μπορεί πράγματι να μετατρέπει την πίεση σε ηλεκτρική τάση.
Τα διαμάντια αξίζουν, τελικά, τον θαυμασμό που προκαλούν — και για πολύ περισσότερους από έναν λόγους.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΕΣ ΕΙΔΗΣΕΙΣ:
- Τα 10 πιο ήσυχα νησιά του κόσμου – Ποιο ελληνικό νησί βρίσκεται στη δεύτερη θέση
- Γουόρεν Μπάφετ: Η εγγονή του αποκαλύπτει το γράμμα που τη «διέγραψε» από την οικογένεια
- Τέχνη για όλους: Πώς να ξεκινήσεις μια συλλογή χωρίς να ξοδέψεις μια περιουσία
