Timantit piilottavat sähköistä salaisuutta

Valmistaudu yllättymään

Timantit — nuo kimaltelevat jalokivet, jotka maksavat usein enemmän kuin tavallinen perheen menopel — saattavat olla saamassa melkoisen teknologisen päivityksen. Tutkijat ovat hiljattain huomanneet, että timantit voivat itse asiassa tuottaa sähköä, kun niitä taivutetaan tai rasitetaan. Ja rehellisesti sanottuna? Tämä on niitä löydöksiä, jotka saavat miettimään, kuinka paljon olemmekaan olleet väärässä muidenkin asioiden kohdalla.

Mitä ihmettä on pietsosähköisyys?

Ennen kuin syvennymme syvemmälle, varmistetaan, että olemme samalla sivulla. Pietsosähköisyys tarkoittaa käytännössä sitä, että tietyt materiaalit tuottavat sähkövarauksen, kun niitä puristetaan, taivutetaan tai muuten muokataan mekaanisesti. Ajattele niitä kevyttä sytyttimiä, joissa painat vain pientä nappia ja — räsähdys! — saat kipinän. Siinä pietsosähköisyys toiminnassa. Mekaaninen paine luo sähkön.

Yli sadan vuoden ajan tutkijat olettivat, etteivät timantit pysty tähän. Ja totta puhuen tuo oletus vaikutti täysin järkevältä. Timantit ovat kuuluisan jäykkiä. Ne eivät taivu, eivät veny, eivätkä todellakaan muutu muotoonsa helposti. Ei voi oikeastaan puristaa timanttia mukamas ja odottaa sen tuottavan varausta. Eikö niin?

No, kävi ilmi, että olimme vain puolittain oikeassa.

Käännekohta: Ohuus on valtti

Hongkongin yliopiston tutkijaryhmä päätti testata, käyttäytyisikö timanttikalvo — vain muutaman mikrometrin paksuinen — eri tavalla kuin sen lihavammat serkuksensa. Ja arvaa mitä? He olivat jotain jäljillä.

Timanttikalvojen kasvattaminen näin ohuiksi ei ole pieni saavutus. Tutkijat käyttivät prosessia nimeltä mikroaaltoplasma-kemiallinen höyrystys (CVD), joka on käytännössä kuin superkehittynyt 3D-tulostin timanteille. Se rakentaa ohuita kalvoja atomi atommalta mikoaaltojen ja reaktiivisten kaasujen avulla. Kalvon kasvattamisen jälkeen he irrottivat huolellisesti kahden tuuman levyisen, yhden mikrometrin paksuisen timanttilevyn.

Se on uskomattoman ohutta. Tuhansia kertoja ohuempaa kuin ihmisen hiussäie. Tätä voisi luultavasti taittaa pelkällä mielikuvituksella.

Tässä on se mielenkiintoinen tiede

Kun tutkijaryhmä kiinnitti timanttikalvon joustavalle alustalle ja alkoi taivuttaa sitä, tapahtui jotain hämmästyttävää. Timantti tuotti sähköistä tehoa. Ei hankauksesta, ei ympäristötekijöistä — timantti itse generoi varauksen.

Mutta miksi? Vastaus piilee niin sanotuissa rakeisrajoissa. Kun timantit muodostuvat, niihin kehittyy kiderakenteita, joissa on pieniä epätäydellisyyksiä ja rajoja eri kiteisten rakeiden välillä. Massiivisissa timanteissa nämä rajat ovat hajallaan kaikkialla ja kumoavat toisensa. Mutta ohuessa kalvossa nämä epäsymmetriset rajat pinoutuvat ja luovat sähkövarauksen polarisaatiota ylä- ja alapuolen pintojen väliin. Tuloksena? Sähköä taivutettaessa.

Vahvin vaikutus havaittiin noin viiden mikrometrin paksuisissa kalvoissa. Mene liian ohueksi ja vaikutus heikkenee. Mene paksummaksi ja timantista tulee liian jäykkä taivutettavaksi. Se on kuin Goldilocks-tilanne, mutta sähkölle.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Tässä kohtaa asiat alkavat todella kiinnostaa. Timantti ei ole vain kaunis — se on uskomattoman hyödyllinen. Se on kova, lämmönkestävä, kemiallisesti stabiili ja myrkytön. Nämä ominaisuudet tekevät siitä täydellisen lääketieteellisiin implantteihin ja laitteisiin, joiden täytyy toimia luotettavasti ihmiskehon sisällä.

Kuvittele pieni implantti, joka voisi käyttää itseään pelkästään kehon luonnollisista liikkeistä. Ei paristoja vaihdettavaksi, ei latausta tarvittavaksi. Timanttikalvo, joka tuottaa sähköä sydämenlyönneistäsi tai hengityksestäsi, voisi mahdollisesti pitää sydämentahdistimet ja muut laitteet käynnissä ikuisesti.

Energiateollisuuskin voisi hyötyä. Timanttipohjaisia pietsosähköisiä laitteita voitaisiin käyttää antureissa, energiankeräysjärjestelmissä ja muissa sovelluksissa, joissa kestävyys ja stabiilius ovat tärkeitä.

Enemmän kuin vain kaunis kuori

Olen aina rakastanut tarinoita materiaaleista, jotka osoittautuvat piilottavan salaisia supervoimia. Luulemme tietävämme kaiken timanteista — ne ovat kovia, kimaltelevia, kalliita. Mutta ilmeisesti olemme raapaisseet vasta pintaa.

Tämä löydös muistuttaa, että tiede on täynnä yllätyksiä. Teemme oletuksia sen perusteella, mitä havaitsemme ihmisen mittakaavassa, mutta zoomaa sisään tai ulos, ja säännöt voivat muuttua kokonaan. Massiiviset timantit eivät taivu? Selvä. Mutta atomaarisesti ohuet timanttikalvot? Ne tanssivat omaan tahtiinsa.

Joten kun joku seuraavan kerran sanoo sinulle, että timantti on vain kivi, voit hymyillä ja ajatella kaikkea sähköä, jota se saattaa piilottaa sisällään. Kimaltelu ei koskaan ollut koko tarina.

Lähde: Popular Mechanics