Studiuesit në Universitetin e Hong Kongut (HKU) kanë zbuluar se membranat ultratë holla dhe shumë fleksibël të diamantit mund të prodhojnë një përgjigje piezoelektrike të matshme, duke sfiduar një supozim shkencor që ka qëndruar për më shumë se një shekull.

Puna u drejtua nga profesori Zhiqin Chu, profesor i asociuar në Departamentin e Inxhinierisë Elektrike dhe Kompjuterike, dhe profesori Yuan Lin, profesor në Departamentin e Inxhinierisë Mekanike, Fakulteti i Inxhinierisë në Universitetin e Hong Kongut (HKU).

Diamanti thyen një rregull njëqindvjeçar

Që nga fillimi i viteve 1900, diamanti përgjithësisht është klasifikuar si një material jopiezoelektrik, që do të thotë se nuk pritej të gjeneronte një tension elektrik kur deformohej mekanikisht.

Ky kufizim ka ndikuar në mënyrën se si diamanti është përdorur në inxhinieri. Pavarësisht fortësisë, qëndrueshmërisë, stabilitetit kimik, shpejtësisë së lartë akustike, përçueshmërisë termike, qëndrueshmërisë së lartë ndaj prishjes dielektrike dhe hapësirës së tij ultra të gjerë të brezit energjetik, diamanti zakonisht ka shërbyer vetëm si mbështetje strukturore për materiale të tjera piezoelektrike në sistemet mikroelektromekanike (MEMS).

Për këtë arsye, ideja e “gjenerimit të elektricitetit nga diamantet” konsiderohej prej kohësh jopraktike.

Bërja e diamantit mjaftueshëm të hollë për t’u përkulur

Për të testuar nëse diamanti mund të sillej ndryshe në kushte ekstreme mekanike, ekipi i HKU përdori një metodë të zhvilluar së fundmi, të quajtur eksfolim me anë të skajeve, për të prodhuar një membranë ultratë hollë dhe fleksibël prej diamanti polikristalor.

Reduktimi i materialit në një formë kaq të hollë bëri të mundur që diamanti, i cili normalisht është i ngurtë, të përkulej shumë më tepër sesa diamanti në masë. Kur studiuesit e përkulën qëllimisht membranën, ata vëzhguan sinjale të qëndrueshme të tensionit elektrik.

Më pas, ekipi kreu eksperimente të shumta të cikleve mekanike, në kushte të kontrolluara me kujdes, për t’u siguruar që prodhimi elektrik ishte i vërtetë. Këto teste u hartuan për të përjashtuar ndërhyrjet mjedisore dhe efektet triboelektrike, të cilat mund të gjenerojnë sinjale elektrike kur sipërfaqet preken ose fërkohen me njëra-tjetrën.

Tensioni u shfaq në mënyrë të qëndrueshme dhe të përsëritur, duke ofruar prova të forta se vetë membrana e diamantit po prodhonte një përgjigje piezoelektrike.

Kufijtë e kokrrizave krijojnë efektin elektrik

Për të kuptuar pse ndodh ky efekt, studiuesit kryen llogaritje të detajuara nga parimet e para.

Analiza e tyre tregon se shkaku lidhet me asimetrinë në kufijtë e kokrrizave brenda membranës së diamantit polikristalor. Këta kufij ndajnë kristalet e shumta të vogla të diamantit që përbëjnë materialin.

Ndërsa membrana përkulet më fort, polarizimi i ngarkesave elektrike krijohet rreth këtyre kufijve të kokrrizave. Kjo krijon një ndryshim në potencialin elektrik midis sipërfaqeve të sipërme dhe të poshtme të membranës, duke prodhuar tensionin e vëzhguar.

Potencial për pajisjet mjekësore dhe sistemet e vogla energjetike

Zbulimi mund të hapë mundësi të reja për përdorimin e diamantit në fusha ku qëndrueshmëria dhe siguria janë veçanërisht të rëndësishme.

Diamanti është shumë biokompatibil, kimikisht i qëndrueshëm dhe jo toksik, duke e bërë atë tërheqës si për teknologjitë mjekësore, ashtu edhe për ato që lidhen me energjinë. Në të ardhmen, membranat piezoelektrike të diamantit mund të përdoren potencialisht në pajisjet mjekësore të implantueshme si burime energjie që e gjenerojnë vetë energjinë ose si sensorë që zbulojnë përkuljen dhe deformimin.

Në një kuptim më të gjerë, gjetjet paraqesin një mënyrë të re për t’i dhënë diamantit funksionalitet elektrik aktiv, në vend që ta përdorin atë vetëm si material strukturor pasiv.

Kjo punë mund të mbështesë gjithashtu zhvillimin e sistemeve mikroenergjetike të gjeneratës së ardhshme me besueshmëri të lartë dhe të teknologjive të sensorëve që furnizohen me energjinë e tyre./ScienceDaily