Значительное достижение в области материаловедения совершили российские ученые, создав новый гибкий композит. Этот материал демонстрирует высокую эффективность преобразования магнитных полей в электричество, что делает его чрезвычайно перспективным для создания следующего поколения носимой электроники и других компактных устройств.
Современная электроника постоянно нуждается в материалах, способных преобразовывать энергию между различными формами, например, из магнитной в электрическую. Мультиферроики, сочетающие магнитные и электрические свойства, уже нашли применение в различных устройствах, таких как датчики и системы накопления энергии. Благодаря своей двойственной природе, они позволяют создавать более компактные и энергоэффективные решения по сравнению с материалами, работающими только с электричеством.
Однако широкое внедрение традиционных мультиферроиков в гибкую электронику ограничено их неэластичностью и хрупкостью. В связи с этим, научное сообщество активно ищет способы получения эластичных аналогов, которые могли бы сохранить высокую эффективность преобразования энергии.
Исследователи из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН успешно решили эту задачу. Им удалось разработать эластичный магнитоэлектрический композит, состоящий из полимерной основы и наночастиц феррита кобальта.
Материал базируется на мягком и гибком силиконовом эластомере, который объединен с пленкой поливинилиденфторида. Последний обладает способностью генерировать электрический заряд при механическом воздействии. В эту полимерную структуру были интегрированы наночастицы феррита кобальта. Примечательно, что путем замещения части ионов кобальта на цинк или никель ученым удалось целенаправленно изменять магнитные свойства композита. Введение цинка снизило сопротивление материала размагничиванию, тогда как никель увеличил его чувствительность к слабым магнитным полям.
Проведенные эксперименты подтвердили превосходные характеристики разработанного материала. Образец, модифицированный ионами цинка, показал наиболее высокую эффективность преобразования магнитных полей в электрическое напряжение. Согласно данным Минобрнауки РФ, его эффективность оказалась в три раза выше, чем у материала, изготовленного с использованием чистого феррита кобальта. Достигнутые показатели сравнимы с параметрами некоторых пьезоэлектрических генераторов, применяемых в беспроводных датчиках.
«Мы показали, что даже небольшие изменения в составе наночастиц могут значительно усилить магнитоэлектрический эффект. Это особенно важно для создания компактных и легких устройств, например, элементов питания для носимой электроники».
По словам Валерии Родионовой, разработка таких материалов открывает широкие возможности для создания энергоэффективных технологий, способных пассивно собирать энергию из электромагнитного излучения окружающей среды.
В ближайших планах исследователей — создание рабочего прототипа устройства на основе нового композита. Ожидается, что будущий прибор будет выгодно отличаться от существующих аналогов повышенной прочностью, легкостью и потенциально более низкой стоимостью производства.
Данное исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. Подробные результаты работы опубликованы в авторитетном научном журнале Polymers.
