Может ли алмаз вырабатывать электричество при изгибе? Больше века считалось, что нет

Внутри кухонной зажигалки спрятан маленький кристалл. Вы нажимаете кнопку, пружина бьёт по кристаллу, и он отвечает разрядом. Искра проскакивает без всякой батарейки. Тот же фокус работает в звукоснимателях электрогитар, в датчиках ультразвука, в поджиге газовой плиты. Давление превращается в напряжение.

Называется это пьезоэффектом. И достаётся он далеко не каждому материалу.

Давайте представим кристалл как кладку из кирпичей. Чтобы при сжатии в нём появилось напряжение, кладка должна быть слегка перекошенной. Если она идеально ровная и любая её половина зеркально повторяет другую, заряды при сжатии сместятся поровну в обе стороны и погасят друг друга. У кварца нужный перекос есть. У алмаза его нет. Атомы углерода уложены в нём едва ли не в самую правильную решётку из всех, что встречаются у твёрдых тел.

Больше века алмаз так и стоял в колонке «не умеет», рядом с поваренной солью.

Команда из Университета Гонконга эту колонку подвинула. Физики согнули тонкую алмазную плёнку, и прибор показал напряжение. Самое любопытное тут вот что: вековое правило никто не нарушил. Его обошли с фланга.

Как вырастить алмаз, который гнётся

Камень из кольца согнуть нельзя, он расколется. Значит, речь пойдёт не о нём.

Плёнку растили на кремниевой пластине. Поверхность обработали водородной плазмой, засеяли наноалмазной крошкой и запустили осаждение из метана в микроволновой плазме. Углерод оседал слой за слоем и собирался в множество сросшихся зёрен, у каждого своя ориентация решётки.

Получился поликристалл. От ювелирного монокристалла он отличается примерно как булыжная мостовая от цельной каменной плиты.

Дальше плёнку надо было снять с подложки, не расколов. Кремний надрезали с обратной стороны, наклеили сверху липкую ленту и потянули вдоль надреза с рассчитанным усилием. Так вышли свободные мембраны толщиной от 0,2 до 20 микрометров. Всего шесть толщин, и каждую испытывали отдельно.

Что показал изгиб

Квадратики плёнки размером с ноготь покрыли с обеих сторон золотыми электродами и посадили на гибкую подложку. Один конец зажали, на другой давили. Вольтметр писал показания.

Мембрана толщиной около пяти микрометров выдала примерно 70 милливольт. И более тонкие, и более толстые образцы того же ряда дали меньше. Пик оказался ровно посередине ряда.

Вот это уже странно. Обычно свойство либо растёт с толщиной, либо падает, а здесь получился горб.

Чтобы не принять за открытие погрешность стенда, тот же изгиб повторили на монокристалле алмаза и на обычном стекле. Оба промолчали. Значит, напряжение рождается именно в поликристаллической плёнке, а не в контактах и не в трении зажима.

Заодно проверили выносливость. Мембрана пережила больше семи тысяч циклов изгиба без потери сигнала и держала показатели при нагреве. Правда, всё это по-прежнему лабораторные квадратики в зажиме, а не деталь готового прибора.

Откуда берётся напряжение, если не из алмаза

За ответом физики пошли в расчёты из первых принципов. Так называют моделирование поведения электронов и атомов напрямую, без подгонки под желаемый результат.

Посчитали три случая. Монокристалл дал ноль. Двойник, где решётка отражена зеркально, но симметрия при этом сохраняется, тоже дал ноль. А поликристалл, у которого возле границы добавлена лишняя горстка ячеек и симметрия сломана, дал не ноль.

Вот и разгадка. Электричество родится не в алмазе, а в шве между зёрнами. У самой границы длины связей искажены несимметрично, заряд слегка смещается, и этого уже хватает. Вглубь зерна эффект быстро затухает.

Здесь же объяснился и горб на пяти микрометрах. Перекос у границы тем сильнее, чем меньше ячеек разделяет соседние зёрна. Крупные зёрна его размывают. А зёрна растут вместе с толщиной плёнки. Выходит так: в тонкой мембране границ много, но каждая работает слабее, в толстой зёрна крупные и границ мало на единицу объёма. Где-то посередине доля приграничных атомов оказывается самой выгодной.

Авторы проверили и запасное объяснение. Вдруг дело не в границах, а в точечных дефектах решётки? Дефекты тоже дают отклик, но он ровно падает с толщиной и горба не создаёт. Значит, всё-таки границы.

Свою модель физики при этом не переоценивают. В расчёте граница одного типа и повторяется регулярно. В настоящей мембране зёрна разного размера и повёрнуты как попало, и как усредняется такая мешанина, изучено не до конца.

Что отсюда следует, а что нет

В статье находку называют заделом на будущее: сбор энергии от вибраций, автономные датчики, гибкая электроника. В сообщении университета к этому списку добавили имплантируемые медицинские сенсоры, которым не понадобится замена батарейки.

Вот тут стоит сверить масштабы. Проверен на сегодня квадратик плёнки, приклеенный к подложке, зажатый в стенде и согнутый заданным усилием. Не проверено, как он поведёт себя в корпусе прибора, при массовом производстве с разбросом зёрен и тем более внутри живого тела. Расстояние между этими двумя картинками огромное, и пресс-релиз его сокращает слишком охотно.

И главное, чего делать не стоит: переносить результат на алмаз в кольце. У монокристалла эффекта нет ни в опыте, ни в расчёте.

Столетнее правило никто не отменил. Для идеального кристалла оно по-прежнему верно, и те же расчёты это подтвердили, выдав ровно ноль. Исключение нашлось не в алмазе, а в шве между его зёрнами. Держится оно ровно до тех пор, пока плёнка остаётся тонкой и неоднородной.

Красиво тут не то, что правило сломали. Красиво, что его обошли, не тронув.