Российские исследователи разработали новый гибкий композитный материал. Он обладает высоким потенциалом для применения в носимой электронике и способен преобразовывать магнитные поля в электрическую энергию с эффективностью в три раза выше, чем у существующих аналогов. Об этом сообщила пресс-служба Министерства науки и высшего образования РФ.
Материалы, эффективно трансформирующие одни виды энергии в другие, например, магнитную в электрическую, активно используются в современной электронике. Мультиферроики — пример таких материалов; они обладают одновременно магнитными и электрическими свойствами и применяются в различных устройствах, включая датчики, накопители данных и системы сбора энергии.
В отличие от стандартных электронных материалов, использующих только электричество, мультиферроики уникальны тем, что реагируют как на магнитные, так и на электрические поля. Это позволяет создавать на их базе более компактные и потребляющие меньше энергии устройства.
Однако большинство известных мультиферроиков отличаются жесткостью и хрупкостью, что ограничивает их применение в гибкой электронике. В связи с этим исследователи активно работают над созданием эластичных материалов с аналогичными высокими показателями энергопреобразования.
Совместная команда ученых из Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН успешно синтезировала эластичный композитный материал с магнитоэлектрическими свойствами, используя полимеры и наночастицы феррита кобальта.
В качестве основы материала использовался силиконовый эластомер — очень мягкий и податливый полимер. Его объединили с пленкой из поливинилиденфторида, который может вырабатывать электричество при механическом воздействии, таком как изгиб. В эту композицию были введены наночастицы феррита кобальта, где часть атомов кобальта была замещена атомами цинка или никеля. Такое замещение позволило оптимизировать магнитные характеристики композита: цинк уменьшил устойчивость к размагничиванию, а никель повысил восприимчивость к низкоинтенсивным магнитным полям.
Проведенные эксперименты продемонстрировали, что образец композита, содержащий ионы цинка, обеспечивает наиболее эффективное преобразование магнитных полей в электрический ток. Его эффективность втрое превзошла показатели материала с частицами чистого феррита кобальта и сравнима с эффективностью некоторых типов пьезоэлектрических генераторов, применяемых, например, в беспроводных датчиках.
Валерия Родионова, директор НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ, отметила, что «даже незначительные изменения в химическом составе наночастиц способны существенно увеличить магнитоэлектрический эффект». Она подчеркнула, что это открытие критически важно для разработки легких и компактных электронных устройств, в том числе источников питания для носимой электроники.
По мнению Родионовой, в перспективе подобные материалы найдут применение в технологиях сбора энергии из окружающих электромагнитных полей, повышая их энергоэффективность.
На следующем этапе работ ученые намерены создать функциональный прототип и представить устройство на основе нового композита. Ожидается, что оно превзойдет существующие аналоги по показателям прочности, веса и себестоимости.
Исследование было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Его результаты опубликованы в научном журнале Polymers.
