الماس میتواند برق تولید کند
به گزارش خبرگزاری آنا؛ این ماده تاکنون بهطور کلی مادهای «غیرپیزوالکتریک» (Non-piezoelectric) یعنی مادهای که در اثر فشار، خمشدن یا تغییر شکل مکانیکی، بهطور طبیعی ولتاژ یا بار الکتریکی ایجاد نمیکند؛ در نظر گرفته میشد. نتیجه این پژوهش میتواند راه را برای ساخت حسگرهای مبتنی بر الماس، سامانههای بسیار کوچک تولید انرژی و برخی تجهیزات پزشکی قابل کاشت هموار کند.
الماس برخلاف تصور دانشمندان رفتار میکند
پژوهشگران دانشگاه هنگکنگ نشان دادهاند که غشاهای بسیار نازک الماس میتوانند در اثر تغییر شکل مکانیکی، یک پاسخ الکتریکی پایدار ایجاد کنند.
این ویژگی با نام «اثر پیزوالکتریک» (Piezoelectric Effect) شناخته میشود. در مواد پیزوالکتریک، فشار یا تغییر شکل مکانیکی میتواند باعث ایجاد ولتاژ الکتریکی شود.
اما الماس سالها در گروه موادی قرار داشت که چنین رفتاری از خود نشان نمیدهند. این تصور از اوایل قرن بیستم در میان دانشمندان شکل گرفته بود و در طول بیش از صد سال، الماس بهعنوان مادهای غیرپیزوالکتریک شناخته میشد.
با وجود این، الماس ویژگیهای فیزیکی بسیار مهمی دارد. این ماده بسیار سخت و مقاوم است، در برابر مواد شیمیایی پایداری بالایی دارد، گرما را بهخوبی منتقل میکند و میتواند در برابر میدانهای الکتریکی شدید مقاومت کند.
به همین دلیل، الماس در فناوریهای پیشرفته مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، در بسیاری از کاربردهای مهندسی، نقش آن بیشتر به یک ماده مقاوم و ساختاری محدود میشد و برای ایجاد پاسخ الکتریکی، از مواد دیگری استفاده میکردند. پژوهش جدید نشان میدهد که این محدودیت ممکن است آنقدرها هم قطعی نباشد.
وقتی الماس به اندازه کافی نازک شود
این مطالعه که با عنوان «کشف اثر پیزوالکتریک در غشاهای الماس چندبلوری» (Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond) در نشریه «ساینس ادونس» (Science Advances) منتشر شده است؛ نشان میدهد تیم تحقیقاتی برای بررسی این موضوع، الماس را به یک غشای بسیار نازک و انعطافپذیر تبدیل کرد.
این کار با استفاده از روشی جدید به نام «لایهبرداری از لبه» (Edge Exfoliation) انجام شد. نتیجه، ساخت غشایی از الماس چندبلوری (Polycrystalline Diamond) بود؛ یعنی ساختاری که از تعداد زیادی بلور کوچک الماس تشکیل شده است.
الماس در حالت معمول بسیار سخت و صلب است و بهراحتی خم نمیشود. اما وقتی ضخامت آن بهشدت کاهش پیدا کند، امکان خمشدن آن بیشتر میشود. پژوهشگران این غشا را بهطور کنترلشده خم کردند و در همین زمان، سیگنالهای الکتریکی مشخصی مشاهده کردند.
اما آنها نمیخواستند تنها با مشاهده یک سیگنال الکتریکی نتیجه بگیرند که الماس واقعاً پیزوالکتریک است؛ بنابراین آزمایشها را بارها تکرار کردند و شرایط مکانیکی را بهدقت کنترل کردند.
دانشمندان مطمئن شدند برق از خود الماس میآید
یکی از نکاتی که باید بررسی میشد، احتمال ایجاد برق در اثر تماس یا اصطکاک میان سطوح بود. این پدیده که «اثر تریبوالکتریک» (Triboelectric Effect) نام دارد، میتواند هنگام تماس یا مالش دو سطح باعث ایجاد بار الکتریکی شود؛ بنابراین پژوهشگران باید مطمئن میشدند سیگنال ثبتشده ناشی از این پدیده نیست.
آزمایشهای متعدد نشان دادند که هنگام خمشدن غشای الماس، ولتاژ بهطور پایدار و تکرارشونده ایجاد میشود. این نتیجه شواهد محکمی در اختیار پژوهشگران قرار داد که نشان میداد خود غشای الماس در حال ایجاد پاسخ پیزوالکتریک است. در مرحله بعد، سؤال مهمتری مطرح شد: چه چیزی در ساختار الماس باعث ایجاد این اثر میشود؟
پاسخ در مرز میان بلورهای الماس پیدا شد
برای پیدا کردن علت این رفتار، پژوهشگران از «محاسبات نخستیناصول» (First-Principles Calculations) استفاده کردند. این روش به دانشمندان اجازه میدهد رفتار مواد را بر اساس ساختار بنیادی آنها بررسی کنند. احتمالا عامل اصلی بخشهایی از ساختار الماس به نام «مرزدانهها» (Grain Boundaries) هستند.
الماس چندبلوری از بلورهای کوچک متعددی تشکیل شده است. جایی که این بلورهای کوچک به یکدیگر میرسند، مرزدانه شکل میگیرد. ساختار این نواحی کاملاً متقارن نیست. وقتی غشای الماس خم میشود، این عدم تقارن میتواند باعث جابهجایی و قطبیشدن بارهای الکتریکی در اطراف مرزدانهها شود.
در نتیجه، میان دو سطح غشا اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد میشود و این اختلاف پتانسیل به شکل ولتاژ قابلاندازهگیری ظاهر میشود.
به بیان سادهتر، ویژگی الکتریکی مشاهدهشده به ساختار داخلی الماس و نحوه تغییر شکل آن مربوط است، نه صرفاً به تماس آن با محیط اطراف.
کشف جدید چه کاربردی میتواند داشته باشد؟
پژوهشگران معتقدند این ویژگی تازه میتواند کاربردهای جدیدی برای الماس ایجاد کند. یکی از حوزههای مورد توجه، تجهیزات پزشکی قابل کاشت است. الماس از نظر زیستی سازگاری بالایی دارد، از نظر شیمیایی پایدار است و مادهای سمی محسوب نمیشود. به همین دلیل، غشاهای پیزوالکتریک الماس میتوانند در آینده برای ساخت حسگرهای بسیار کوچک یا سامانههایی که بخشی از انرژی موردنیاز خود را تولید میکنند، مورد بررسی قرار گیرند.
این غشاها همچنین میتوانند در فناوریهای مربوط به «برداشت انرژی» (Energy Harvesting) مورد استفاده قرار گیرند. در این فناوری، انرژی حاصل از حرکت یا تغییر شکل مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
یکی دیگر از کاربردهای احتمالی، ساخت حسگرهای خودتأمین است؛ حسگرهایی که میتوانند از تغییر شکل یا حرکت خود برای تولید سیگنال الکتریکی استفاده کنند و به منبع انرژی جداگانه وابستگی کمتری داشته باشند.
البته این یافته هنوز به معنای آن نیست که میتوان از الماس در مقیاس گسترده برق تولید کرد. پژوهش فعلی نشان داده است که غشاهای بسیار نازک و انعطافپذیر الماس میتوانند در اثر تغییر شکل، ولتاژ ایجاد کنند.
برای تبدیل این ویژگی به یک فناوری عملی، هنوز باید میزان انرژی تولیدشده، بازده، دوام غشا و امکان تولید آن در مقیاس بزرگ بررسی شود.
الماس حالا یک ویژگی الکتریکی هم دارد
اهمیت این پژوهش فقط در این نیست که دانشمندان توانستهاند از الماس ولتاژ بگیرند. این کشف نشان میدهد رفتار مواد میتواند در ابعاد بسیار کوچک با آنچه در شکل معمول و تودهای آنها دیده میشود، تفاوت داشته باشد.
الماسی که بیش از یک قرن مادهای غیرپیزوالکتریک تصور میشد، اکنون در قالب یک غشای بسیار نازک میتواند در برابر تغییر شکل مکانیکی پاسخ الکتریکی ایجاد کند.
پژوهشگران دانشگاه هنگکنگ میگویند این ویژگی میتواند مسیر تازهای برای استفاده از الماس در حسگرها، سامانههای کوچک انرژی و فناوریهای پزشکی باز کند.
کشف جدید تصویری متفاوت از یکی از شناختهشدهترین مواد جهان ارائه میدهد؛ مادهای که تا امروز بیشتر به دلیل سختی و مقاومت فوقالعادهاش شناخته میشد، اما اکنون مشخص شده است که در شرایط خاص میتواند ویژگی الکتریکی غیرمنتظرهای نیز از خود نشان دهد.
انتهای پیام/