دانشمندان کشف کردند الماس می‌تواند برق تولید کند

الماس‌ها تاکنون در گروه مواد پیزوالکتریک قرار نمی‌گرفتند، زیرا تولید برق از این طریق به خم شدن و تغییر شکل ماده در اثر فشار مکانیکی نیاز دارد؛ ویژگی‌هایی که معمولاً برای الماس شناخته‌شده نیستند.

اما در پژوهشی تازه، دانشمندان غشایی از جنس الماس با ضخامت تنها چند میکرومتر ساختند و با خم کردن آن دریافتند که الماس در واقع می‌تواند خاصیت پیزوالکتریک داشته باشد. این کشف می‌تواند مسیرهای تازه‌ای برای استفاده از الماس در تجهیزات انرژی و فناوری‌های پزشکی ایجاد کند؛ حوزه‌هایی که در آنها الماس تاکنون بیشتر به‌عنوان یک ماده پشتیبان غیرفعال مورد استفاده قرار می‌گرفت.

الماس‌ها بیشتر به‌خاطر درخشش خیره‌کننده‌شان ارزشمند هستند، اما این ساختارهای کربنی که حاصل ترکیب گرما، فشار و گذر زمان‌اند، کاربردهایی بسیار فراتر از جواهرات دارند. الماس به‌عنوان سخت‌ترین ماده معدنی طبیعی جهان شناخته می‌شود و به همین دلیل، از آن در ساخت ابزارهای برش برای عبور از مقاوم‌ترین مواد استفاده می‌کنند. همچنین می‌توان الماس را با نانولوله‌های کربنی تقویت کرد تا ضعف شکنندگی آن کاهش پیدا کند. حتی گرد الماس نیز ممکن است روزی در راهکارهایی برای خنک‌تر کردن سیاره مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، قابلیت‌های این ماده واقعاً فراتر از ظاهر درخشان آن است.

با وجود اینکه انسان‌ها هزاران سال است الماس را ارزشمند می‌دانند، دانشمندان همچنان در حال کشف ویژگی‌های تازه این شبکه‌های مکعبی کربن هستند. بیش از یک قرن تصور می‌شد الماس خاصیت پیزوالکتریک ندارد؛ پیزوالکتریک به ویژگی موادی گفته می‌شود که هنگام وارد شدن فشار یا تنش مکانیکی، بار الکتریکی ایجاد می‌کنند. این فرض تا حد زیادی منطقی به نظر می‌رسید، زیرا الماس به‌طور معمول ماده‌ای نیست که بتوان آن را به‌راحتی کش داد، فشرد یا تغییر شکل داد.

آزمایش روی غشای بسیار نازک الماس

هرچند این مسئله درباره قطعات معمولی و حجیم الماس صدق می‌کند، گروهی از پژوهشگران دانشگاه هنگ‌کنگ این پرسش را مطرح کردند که آیا یک غشای بسیار نازک الماس می‌تواند رفتار متفاوتی داشته باشد یا نه. اگر الماس در چنین ابعادی خاصیت پیزوالکتریک نشان می‌داد، این ویژگی می‌توانست تحول مهمی برای سامانه‌های میکرومکانیکی ایجاد کند؛ سامانه‌هایی که در آنها از الماس صرفاً برای پشتیبانی از مواد پیزوالکتریک دیگر استفاده می‌شود.

دانشمندان در پژوهشی تازه که در مجله Science منتشر شده، تلاش کردند این فرضیه را آزمایش کنند. نخستین چالش، ساختن ورقه‌ای از الماس بود که آن‌قدر نازک باشد که بتوان آن را خم کرد.‌ برای این کار، پژوهشگران غشاهای الماسی را روی یک بستر سیلیکونی و با استفاده از روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار با کمک پلاسمای مایکروویو یا CVD رشد دادند. این فناوری را می‌توان نوعی چاپگر سه‌بعدی بسیار پیشرفته دانست که با استفاده از مایکروویو، پلاسماهای واکنش‌پذیر را به لایه‌های نازک تبدیل می‌کند و آنها را اتم‌به‌اتم روی بستری ظریف قرار می‌دهد.

سپس محققان با استفاده از روشی موسوم به لایه‌برداری از لبه و نوار چسب شفاف، غشای الماسی را با دقت از بستر جدا کردند. نتیجه، غشایی به عرض حدود ۲ اینچ و ضخامت تنها ۱ میکرومتر بود. پس از آن، مرحله خم کردن الماس آغاز شد. پژوهشگران برای کنترل دقیق خم شدن، این غشا را به یک بستر انعطاف‌پذیر و مقاوم از جنس پلی‌اتیلن ترفتالات یا PET متصل کردند. آنها یک سر مجموعه را ثابت نگه داشتند و با وارد کردن نیرو به سمت دیگر، میزان تغییر شکل غشای الماس را کنترل کردند و هم‌زمان خروجی الکتریکی احتمالی آن را اندازه گرفتند.

الماس واقعاً برق تولید کرد

پس از انجام آزمایش‌های مکانیکی و تکرار چرخه‌های خم شدن، دانشمندان عوامل احتمالی محیطی و اثرات تریبوالکتریک، یعنی پدیده ایجاد بار الکتریکی در اثر مالش، را حذف کردند. در نهایت مشخص شد که غشای الماس واقعاً خروجی الکتریکی ایجاد می‌کند.

بررسی‌ها نشان داد که مرزهای نامتقارن دانه‌ها، یعنی بخش‌هایی که شبکه‌های بلوری تشکیل‌دهنده غشا را از یکدیگر جدا می‌کنند، باعث تجمع قطبش الکتریکی می‌شوند. همین وضعیت اختلاف پتانسیلی میان سطح بالایی و پایینی غشا به وجود می‌آورد.

پژوهشگران گفتند

اثر پیزوالکتریک به ضخامت غشا وابسته است و بیشترین واکنش در غشاهایی با ضخامت حدود ۵ میکرومتر مشاهده می‌شود. تغییرات نامتقارنی که مرزهای دانه‌ای هنگام ساخت الماس ایجاد می‌کنند، توضیح می‌دهند که چرا میزان اثر پیزوالکتریک با ضخامت غشا تغییر می‌کند.

از آنجا که الماس ماده‌ای غیرسمی و از نظر شیمیایی پایدار است، غشای الماسی تولیدکننده برق می‌تواند کاربردهای مهمی در صنایع انرژی و پزشکی پیدا کند. یکی از چشمگیرترین احتمالات، استفاده از چنین فناوری‌ای در ایمپلنت‌هایی است که بتوانند بخشی از انرژی مورد نیاز خود را به‌صورت مستقل تولید کنند.

الماس حالا دلیل تازه‌ای برای شگفت‌زده کردن دانشمندان دارد؛ نه فقط به‌خاطر درخشش و سختی، بلکه به دلیل توانایی بالقوه‌اش در تولید برق.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.