Pesquisadores da Universidade de Hong Kong (HKU) descobriram que membranas de diamante ultrafinas e altamente flexíveis podem gerar uma resposta piezoelétrica mensurável, desafiando a crença científica mantida há mais de um século.
Este trabalho foi liderado pelo Professor Ziqin Chu, Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, e pelo Professor Yuan Lin, Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade de Hong Kong (HKU).
Heera quebrou uma regra centenária
Desde o início de 1900, o diamante tem sido geralmente classificado como um material não piezoelétrico, o que significa que não se esperava que gerasse tensão elétrica quando deformado mecanicamente.
Essa gama moldou a forma como os diamantes são usados na engenharia. Apesar de sua excepcional dureza, resistência, estabilidade química, alta velocidade acústica, condutividade térmica, resistência à ruptura dielétrica e bandgap ultralargo, o diamante geralmente serve apenas como suporte estrutural para outros materiais piezoelétricos em sistemas microeletromecânicos (MEMS).
Por esta razão, a ideia de “gerar eletricidade a partir de diamantes” foi durante muito tempo considerada impraticável.
fazendo um diamante fino o suficiente para dobrar
Para testar se o diamante poderia se comportar de maneira diferente sob condições mecânicas extremas, a equipe da HKU usou um método de esfoliação de borda desenvolvido recentemente para produzir membranas de diamante policristalino flexíveis e ultrafinas.
Reduzir o material a uma forma tão fina permite que os diamantes normalmente duros dobrem mais do que os diamantes a granel. Quando os pesquisadores dobraram deliberadamente a membrana, observaram sinais de tensão constantes.
Para garantir que a potência fosse real, a equipe conduziu extensos experimentos de ciclagem mecânica sob condições cuidadosamente controladas. Esses testes foram projetados para controlar interferências ambientais e efeitos triboelétricos, que podem gerar sinais elétricos quando as superfícies entram em contato ou esfregam umas nas outras.
A tensão parecia persistente e repetida, fornecendo fortes evidências de que a própria membrana de diamante estava gerando uma resposta piezoelétrica.
Os limites dos grãos causam efeitos elétricos
Para entender por que o efeito ocorre, os pesquisadores realizaram cálculos detalhados dos primeiros princípios.
Sua análise aponta para heterogeneidade nos limites dos grãos dentro das membranas de diamante policristalino. Esses limites separam os muitos pequenos cristais de diamante que compõem o material.
À medida que a membrana se curva com mais força, a polarização da carga elétrica aumenta em torno desses limites de grão. Isto cria uma diferença de potencial elétrico entre as superfícies superior e inferior da membrana, o que produz a tensão observada.
Perspectivas para dispositivos médicos e pequenos sistemas elétricos
A descoberta poderá abrir novas possibilidades para os diamantes em áreas onde a durabilidade e a segurança são particularmente importantes.
O diamante é altamente biocompatível, quimicamente estável e não tóxico, o que o torna atraente para tecnologias médicas e relacionadas à energia. No futuro, as membranas piezoelétricas de diamante poderão ser potencialmente usadas como fontes de energia autogeradas em dispositivos médicos implantáveis ou como sensores que detectam flexão e deformação.
De forma mais ampla, as descobertas oferecem uma nova maneira de fornecer funcionalidade elétrica ativa ao diamante, em vez de simplesmente usá-lo como um material estrutural passivo.
Este trabalho também poderá apoiar o desenvolvimento de sistemas de microenergia de alta confiabilidade e tecnologias de detecção autônoma de próxima geração.
