کد خبر:۱۴۴۸۷۰۵
پای الماس به تولید برق باز شد
دانشمندان دانشگاه هنگکنگ با ساخت غشای فوقنازک و انعطافپذیر الماس دریافتند این ماده هنگام خمشدن میتواند برق تولید کند؛ کشفی که باور علمی بیش از یک قرن را به چالش میکشد.
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو؛ دانشمندان دریافتند که غشاهای الماسی فوقنازک و انعطافپذیر میتوانند در اثر تغییر شکل مکانیکی، الکتریسیته تولید کنند؛ کشفی که باور علمی بیش از یک قرن گذشته درباره ناتوانی الماس در تولید برق را به چالش میکشد. این پژوهش توسط پروفسور «ژیچین چو»، دانشیار گروه مهندسی برق و کامپیوتر، و پروفسور «یوان لین»، استاد گروه مهندسی مکانیک دانشکده مهندسی دانشگاه هنگکنگ (HKU)، هدایت شده است.
الماس، قانون صدساله را زیر پا گذاشت
از اوایل دهه ۱۹۰۰، الماس بهطور کلی مادهای غیرپیزوالکتریک در نظر گرفته میشد؛ به این معنا که انتظار نمیرفت این ماده هنگام تغییر شکل مکانیکی بتواند ولتاژ الکتریکی ایجاد کند. این ویژگی باعث شده بود کاربردهای مهندسی الماس تا حد زیادی محدود باشد. الماس با وجود سختی و استحکام فوقالعاده، پایداری شیمیایی بالا، سرعت صوت زیاد، رسانایی حرارتی مطلوب، استحکام بالای شکست دیالکتریک و گاف نواری بسیار گسترده، معمولاً در سامانههای میکروالکترومکانیکی (MEMS) تنها بهعنوان یک ساختار پشتیبان برای مواد پیزوالکتریک مورد استفاده قرار میگرفت به همین دلیل، ایده «تولید برق از الماس» برای مدت طولانی غیرعملی تلقی میشد.
راز تولید برق؛ نازک کردن الماس
پژوهشگران دانشگاه هنگکنگ برای بررسی رفتار الماس در شرایط شدید مکانیکی، با استفاده از روشی جدید موسوم به «لایهبرداری از لبه»، غشایی فوقنازک، انعطافپذیر و متشکل از الماس چندبلوری تولید کردند. نازک شدن الماس باعث شد این ماده که در حالت عادی بسیار سخت و صلب است، بتواند به میزان قابل توجهی خم شود. زمانی که پژوهشگران این غشا را بهصورت کنترلشده خم کردند، سیگنالهای ولتاژی پایدار مشاهده شد. در ادامه، تیم تحقیقاتی آزمایشهای مکانیکی متعددی را در شرایط کاملاً کنترلشده انجام داد تا اطمینان حاصل کند که سیگنالهای الکتریکی مشاهدهشده واقعی هستند. این آزمایشها همچنین برای رد احتمال ایجاد سیگنالهای ناشی از عوامل محیطی یا «اثر تریبوالکتریک» انجام شد؛ پدیدهای که در اثر تماس یا اصطکاک میان سطوح میتواند بار الکتریکی ایجاد کند. ولتاژ ایجادشده در آزمایشها بهصورت پایدار و تکرارشونده مشاهده شد و شواهد قدرتمندی به دست آمد که نشان میداد خود غشای الماسی دارای پاسخ پیزوالکتریک است.
مرز دانهها؛ عامل تولید برق در الماس
پژوهشگران برای درک علت این پدیده، محاسبات دقیق مبتنی بر اصول اولیه را انجام دادند. نتایج نشان داد که عامل اصلی این اثر، عدم تقارن در «مرز دانهها» درون غشای الماسی چندبلوری است. این مرزها مناطقی هستند که بلورهای کوچک مختلف الماس در کنار یکدیگر قرار میگیرند؛ هنگامی که غشای الماسی خم میشود، در اطراف این مرزهای دانهای قطبش الکتریکی ایجاد میشود. در نتیجه، میان سطح بالایی و پایینی غشا اختلاف پتانسیل به وجود میآید و همین اختلاف پتانسیل باعث ایجاد ولتاژ میشود.
کاربرد در تجهیزات پزشکی و سامانههای انرژی کوچک
این کشف میتواند مسیرهای جدیدی برای استفاده از الماس در فناوریهایی ایجاد کند که به دوام بالا و ایمنی نیاز دارند. الماس مادهای زیستسازگار، از نظر شیمیایی پایدار و غیرسمی است و به همین دلیل میتواند برای فناوریهای پزشکی و انرژی مورد توجه قرار گیرد. در آینده، غشاهای پیزوالکتریک الماسی میتوانند در تجهیزات پزشکی کاشتنی بهعنوان منابع تولیدکننده انرژی یا حسگرهایی برای تشخیص خمشدن و تغییر شکل مورد استفاده قرار گیرند. این فناوری همچنین میتواند زمینه را برای ساخت سامانههای میکروانرژی با قابلیت اطمینان بالا و حسگرهای خودتأمینکننده انرژی فراهم کند به این ترتیب، الماس ممکن است دیگر تنها یک ماده سخت و مقاوم برای استفادههای ساختاری نباشد و بتواند به مادهای با قابلیتهای فعال الکتریکی تبدیل شود.
یک کشف غیرمنتظره درباره الماس
کشف جدید دانشگاه هنگکنگ نشان میدهد که وقتی الماس در ابعاد بسیار نازک و انعطافپذیر ساخته شود، میتواند رفتاری متفاوت با الماس حجیم و معمولی از خود نشان دهد. این یافته نهتنها یک فرض علمی قدیمی درباره الماس را به چالش میکشد، بلکه میتواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از حسگرهای خودتأمین انرژی، سامانههای میکروانرژی و تجهیزات پزشکی کاشتنی هموار کند.
این پژوهش با عنوان «کشف اثر پیزوالکتریک در غشاهای الماس چندبلوری» توسط جیکسیانگ جینگ، بیکونگ وانگ، یومنگ لوئو و دیگر پژوهشگران انجام شده و در مجله Science Advances در سال ۲۰۲۶ منتشر شده است.
لینک کپی شد
گزارش خطا