Η πιο λεπτή ηλεκτρογεννήτρια με πάχος ατόμου που παράγει πιεζοηλεκτρισμό

Ερευνητές του τμήματος Μηχανικής του Πανεπιστημίου Κολούμπια και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Τζώρτζια υποστηρίζουν ότι, για πρώτη φορά στα χρονικά, παρατήρησαν πιεζοηλεκτρισμό και το πιεζοτρονικό (piezotronic) φαινόμενο σε υλικό με πάχος ατόμου.

Η επίδειξη του φαινομένου έγινε με την πιο λεπτή ηλεκτρογεννήτρια στον κόσμο η οποία είναι κατασκευασμένη από ένα δισδιάστατο υλικό σε πάχος ατόμου με τη χημική σύσταση δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS_2), το οποίο είχε προβλεφθεί ότι διαθέτει τέτοιες ιδιότητες.

Με τη νέα ανακάλυψη ανοίγει ο δρόμος για την παραγωγή ηλεκτρογεννητριών και συσκευών μηχαναίσθησης (mechanosensation) οι οποίες θα είναι διάφανες, εξαιρετικά ελαφρές και πολύ εύκαμπτες.

Η συσκευή κατασκευάστηκε με την τοποθέτηση λεπτών στρωμάτων MoS_2, το οποίο είναι ένα υλικό αποτελούμενο από ένα μοναδικό στρώμα ατόμων, σε εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα και με τη χρήση τεχνικών οπτικής για να διαμορφωθεί κατάλληλα ο προσανατολισμός των κρυσταλλικών πλεγμάτων του υλικού.

Η διαδικασία αυτή ήταν αναγκαία διότι η κρυσταλλική δομή του MoS_2 καθιστά εφικτή την παραγωγή πιεζοηλεκτρισμού μόνο κάτω υπό συγκεκριμένους προσανατολισμούς. Το υλικό χαρακτηρίζεται επίσης από υψηλή πολικότητα, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται μονός αριθμός στρωμάτων σε πάχος ατόμου ώστε να διασφαλιστεί ότι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο δεν θα αυτοακυρωθεί.

Οι δοκιμές έδειξαν ότι μια μοναδική νιφάδα MoS_2 που διεστάλη κατά 0,53% παρήγε τάση 15 Μιλιβολτ και 20 pA με το βαθμό αποδοτικότητας μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική να ανέρχεται σε 5,08%.

Αξίζει να σημειωθεί ότι το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, το οποίο δεν είναι πιεζοηλεκτρικό σε όγκο, αποκτά πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες όταν λαμβάνει χώρα λέπτυνσή του σε στρώμα πάχους ατόμου.

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο το τέντωμα ή η συμπίεση ενός υλικού προκαλεί την παραγωγή ηλεκτρικής τάσης, ή το αντίθετο (δηλαδή η εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης προκαλεί συστολή ή διαστολή). Αλλά για υλικά πάχους μόλις μερικών ατόμων, δεν είχε καταγραφεί πειραματική παρατήρηση πιεζοηλεκτρισμού μέχρι σήμερα.

Θετικά και αρνητικά φορτία εμφανίζονται καθώς το στρώμα των ατόμων εκτείνεται

Η εν λόγω παρατήρηση αποκαλύπτει νέες ιδιότητες για τα δισδιάστατα υλικά όπως το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για νέα είδη μηχανικά ελεγχόμενων ηλεκτρονικών συσκευών.

“Το υλικό αποτελούμενο από ένα μόνο στρώμα ατόμων θα μπορούσε να οδηγήσει στην κατασκευή συσκευών που φοριούνται, ενσωματωμένο για παράδειγμα σε ρούχα, όπου θα μετατρέπει σε ηλεκτρισμό την ενέργεια από την κίνηση του σώματος” σημειώνει ο Τζέιμς Χόουν, καθηγητής μηχανολογίας- μηχανικής στο Columbia και ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας. «Η κοινότητα της έρευνας υλικών συναρπάζεται από το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, και η επίδειξη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου σε αυτό προσθέτει μια νέα διάσταση στο υλικό» συμπληρώνει ο Ζονγκ Λιν Γουάνγκ, του Georgia Tech, έτερος επικεφαλής της έρευνας.

Η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών πάνω στο υλικό. «Πρόκειται για την πρώτη πειραματική δουλειά πάνω στο αντικείμενο και αποτελεί ένα ωραίο παράδειγμα σχετικά με το πώς αλλάζει ο κόσμος όταν το μέγεθος ενός υλικού μειώνεται στην κλίμακα ενός μεμονωμένου ατόμου» αναφέρει ο Χόουν.

Από πλευράς του, ο Ζονγκ Λι Γουάνγκ εκτιμά ότι η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πλήρη νανοσυστήματα πάχους ατόμου τα οποία θα είναι ενεργειακά αυτάρκη, καθώς θα συλλέγουν μηχανική ενέργεια από το περιβάλλον τους. Επίσης, όπως τονίζεται σε σχετική ανακοίνωση, η μελέτη αποκαλύπτει το πιεζοτρονικό φαινόμενο σε δισδιάστατα υλικά για πρώτη φορά, κάτι που επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες εφαρμογής πολυεπίπεδων υλικών σε τομείς όπως η αλληλεπίδραση ανθρώπων και μηχανών, η ρομποτική κ.α.

Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Nature.

Πηγές: econews και Columbia University