Материал с революционными свойствами для электроники, энергетики и медицины получили в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта. Датчики из полимерной плёнки со «встроенными» наночастицами соединений железа могут конкурировать с металлокерамическими аналогами, поскольку гибки, биосовместимы и дешевле в изготовлении.
Особая чувствительность
В БФУ рассказали, что руль в автомобиле, педали газа и тормоза, умные часы, следящие за пульсом и передвижением, а также другие современные устройства содержат чувствительные датчики, которые преобразуют внешнее магнитное воздействие в электричество. Традиционно такие датчики делают из металлов и других магнитных материалов (например, ферритов) и керамики, что ограничивает срок службы «чувствительной» части устройств и делает их дороже, пояснил РИА «Новости» научный сотрудник лаборатории нано- и микромагнетизма БФУ Артём Игнатов.
От структуры полимерной основы зависит способность материала преобразовывать силу внешнего магнитного поля в электрический сигнал, который воспринимается узлами медицинских приборов или машин. Исследователи определили, что при медленной сушке на воздухе полимерные плёнки для магнитных датчиков становятся в полтора раза более чувствительными к магнитному полю, чем при быстрой высокотемпературной обработке. Более «мягкая» техника изготовления таких элементов может сделать более экономически выгодным не только производство деталей для существующих приборов, но и изготовление носимой электроники – например, пульсоксиметров или умных часов. Несмотря на более длительную сушку, для неё не требуется дополнительная электроэнергия, пояснил Игнатов. Специалист уточнил, что высокотемпературная быстрая сушка вызывает «слипание» магнитных наночастиц, как при выпекании булочек слишком близко друг к другу. Из-за образования таких агрегатов у материала снижается восприимчивость к магнитному воздействию.
Саму идею – управлять свойствами материала через условия технологической обработки – можно использовать в разных научных и инженерных центрах для создания абсолютно разных по назначению устройств, подчеркнул Игнатов.
Гибкий и эффективный
Ранее российские учёные создали гибкий композит, перспективный для конструирования новых устройств носимой электроники, который преобразует магнитные поля в электричество втрое эффективнее аналогов. В Минобрнауки РФ отметили, что материалы, способные эффективно преобразовывать разные формы энергии друг в друга, например магнитную в электрическую, широко востребованы в современной электронике. К примеру, мультиферроики (материалы, сочетающие магнитные и электрические свойства) используются в датчиках, системах хранения данных и устройствах для сбора энергии.
В отличие от обычных электронных материалов, работающих исключительно на электричестве, мультиферроики способны одновременно реагировать на магнитные и электрические поля, благодаря чему на их основе можно создавать более компактные и энергоэффективные устройства.
– Однако большинство мультиферроиков жёсткие и хрупкие, из-за чего их не используют в гибкой электронике, – пояснили в Минобрнауки РФ. – Поэтому учёные стремятся создать эластичные аналоги, которые сохранили бы высокую эффективность преобразования энергии.
Исследователи БФУ им. Иммануила Канта с коллегами из МГУ им. Михаила Ломоносова и Института элементоорганических соединений им. Александра Несмеянова РАН разработали эластичный магнитоэлектрический композит на основе полимеров и наночастиц феррита кобальта. Основу материала составил силиконовый эластомер – мягкий и гибкий полимер, который объединили с плёнкой из поливинилиденфторида, способной генерировать электрическое напряжение при деформации (например, сгибании). К этой структуре добавили наночастицы феррита кобальта, причём часть ионов кобальта заменили на цинк или никель. Это позволило настроить магнитные свойства композита: цинк снизил сопротивление размагничиванию, а никель повысил чувствительность к слабым магнитным полям. Как рассказали в Минобрнауки РФ, эффективность материала оказалась в три раза выше, чем у изготовленного с частицами чистого феррита кобальта, и была сопоставима с некоторыми пьезоэлектрическими генераторами, используемыми в беспроводных датчиках.
По мнению директора НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ Валерии Родионовой, в будущем такие материалы могут лечь в основу энергоэффективных технологий, собирающих энергию из окружающих электромагнитных полей.
Василий АКУЛОВ.
