Исследователи из Университета Гонконга выяснили, что сверхтонкие и гибкие алмазные плёнки могут вырабатывать электричество при механической деформации. Это открытие опровергает научное представление о свойствах алмаза, которое считалось общепринятым более ста лет.
До сих пор алмаз относили к непьезоэлектрическим материалам, то есть неспособным генерировать напряжение под механическим воздействием. Из-за этого в микроэлектромеханических системах его применяли в основном как пассивную подложку для других, пьезоэлектрических, материалов, ценя его исключительную твёрдость, химическую стабильность и теплопроводность.
Чтобы проверить, как поведёт себя материал в экстремальных условиях, гонконгские учёные создали сверхтонкую поликристаллическую алмазную плёнку. Её толщина позволила добиться от обычно жёсткого материала значительной гибкости. Когда плёнку изгибали, она генерировала стабильный и измеряемый электрический сигнал. Команда провела серию контрольных экспериментов, чтобы исключить влияние внешних помех или трибоэлектрического эффекта – возникновения заряда при трении поверхностей.
Чтобы объяснить природу этого явления, исследователи выполнили расчёты на основе первых принципов. Анализ показал, что пьезоэлектрический отклик возникает из-за асимметрии на границах между микроскопическими кристаллами (зёренами), из которых состоит плёнка. При изгибе на этих границах поляризуется электрический заряд, что создаёт разность потенциалов между верхней и нижней поверхностями плёнки.
Открытие может найти применение в областях, где важны надёжность и безопасность. Алмаз биосовместим, химически инертен и нетоксичен, что делает его перспективным для медицины и энергетики. В будущем алмазные пьезоэлектрические плёнки могут использовать в имплантируемых медицинских устройствах как автономные источники питания или как датчики деформации. Таким образом, алмаз из пассивного конструкционного материала превращается в активный электронный компонент.
