Российские исследователи объявили о разработке уникального гибкого композитного материала. Этот инновационный материал способен преобразовывать магнитные поля в электрическую энергию с эффективностью, втрое превышающей показатели существующих аналогов. Потенциал разработки огромен, в первую очередь для создания нового поколения носимой электроники. Об этом достижении сообщила пресс-служба Министерства науки и высшего образования РФ.
Современная электроника активно использует материалы, эффективно трансформирующие различные виды энергии друг в друга, например, магнитную в электрическую. Материалы с двойными свойствами – магнетизмом и электричеством, известные как мультиферроики, уже находят применение в разнообразных устройствах: от датчиков до систем хранения данных и элементов для сбора энергии.
Ключевое отличие мультиферроиков от традиционных электронных материалов, работающих только с электричеством, заключается в их способности одновременно реагировать на магнитное и электрическое воздействия. Это позволяет создавать более компактные и экономичные устройства.
“Однако традиционные мультиферроики обычно жесткие и хрупкие, что ограничивает их применение в гибкой электронике. Поэтому задача ученых состояла в создании эластичных альтернатив, сохраняющих при этом высокую эффективность преобразования энергии”, — отмечается в сообщении Минобрнауки России.
Команда ученых из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН, разработала эластичный магнитоэлектрический композит. В его основе — полимерная матрица и наночастицы феррита кобальта.
Материал базируется на мягком и гибком силиконовом эластомере, который комбинируется с пленкой из поливинилиденфторида. Эта пленка обладает пьезоэлектрическими свойствами, то есть генерирует электричество при механической деформации, например, при изгибе. В структуру были добавлены наночастицы феррита кобальта. Интересный подход заключался в частичной замене ионов кобальта на ионы цинка или никеля. Такой метод позволил точно настраивать магнитные характеристики композита: цинк способствовал снижению сопротивления размагничиванию, а никель повысил чувствительность к слабым магнитным полям.
Результаты экспериментов показали, что наибольшую эффективность в преобразовании магнитных полей в электричество продемонстрировал образец, содержащий ионы цинка. Согласно данным Минобрнауки РФ, этот материал в три раза превзошел по эффективности композит с частицами чистого феррита кобальта. Его производительность оказалась сравнимой с показателями некоторых пьезоэлектрических генераторов, используемых в беспроводных сенсорах.
“Мы наглядно показали, что даже незначительные изменения в составе наночастиц могут существенно усилить магнитоэлектрический эффект. Это критически важно для создания компактных и легких электронных компонентов, в частности, для источников питания в носимых устройствах”, — прокомментировала Валерия Родионова, директор НОЦ “Умные материалы и биомедицинские приложения” БФУ.
По мнению Родионовой, такие материалы открывают двери для создания энергоэффективных технологий, способных собирать энергию из окружающих электромагнитных полей.
На следующем этапе проекта ученые планируют создать рабочий прототип устройства на базе нового материала и предложить его рынку. Ожидается, что такой прибор будет обладать повышенной прочностью, легкостью и доступной стоимостью по сравнению с существующими аналогами.
Исследование было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования России. Результаты работы опубликованы в научном журнале Polymers.
Дмитрий Верхов