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一百多年来，人们一直认为钻石无法发电——香港的一项新实验改变了这一状况
科学家发现超薄金刚石膜可以发电。当这些柔性金刚石薄膜发生机械变形时就会发生这种情况。这一突破挑战了长期以来对金刚石电学特性的看法。这一发现可能会催生新的自供电传感器和医疗植入物。未来的应用可能涉及微型能量收集系统。
来源:经济时报一个多世纪以来，钻石因其承受能力而备受推崇，而不是因为其发电能力。这种假设现在可能需要改变。
香港大学 (HKU) 的科学家发现，极薄且柔韧的金刚石膜在发生机械变形时可以产生电响应。这一发现挑战了长期以来认为金刚石不能通过压电效应发电的观点。
这一突破最终可能会带来新型的
，微型能量系统和医疗植入物，通过运动或变形产生电信号。
一种以强度闻名的材料却显示出意想不到的弱点 - 以及强度
钻石以其异常坚硬、化学稳定性和对极端条件的高度耐受性而闻名。它还具有优异的导热性、高声速、强介电性能和超宽带隙。
这些特性使金刚石对于先进电子和微机电系统 (MEMS) 具有吸引力。
但有一个主要限制。
金刚石传统上被认为是非压电的。与石英和某些陶瓷等材料不同，它在挤压、拉伸或弯曲时不会产生电压。
根据香港大学研究团队的说法，几十年来，这一假设一直影响着钻石如何融入电子设备。
新的实验表明，当钻石做得特别薄时，情况会变得非常不同。
科学家找到了一种使刚性金刚石弯曲的方法
这一发现的关键不仅仅是钻石本身，还有它的形状。
香港大学电机及计算机工程学系朱志勤教授和机械工程学系林元教授领导的研究人员开发出由多晶金刚石制成的超薄柔性薄膜。
众所周知，块状钻石很难变形。但是，当材料被缩减为仅其通常厚度的一小部分的薄膜时，它就会在机械应力下弯曲。
这为研究人员提供了一种方法来测试变形是否会触发普通钻石中不易观察到的电响应。
当膜弯曲时，团队检测到电压信号。
然后研究人员反复对膜进行受控机械循环。电反应仍然可以检测到，这表明这种现象不仅仅是一次性效应或实验异常。
研究人员必须排除其他电力来源
检测电压只是第一步。
机械实验可以出于多种原因产生电信号，包括摩擦起电效应——不同表面相互接触或移动时产生电荷。
为了确定是否是钻石本身造成的，香港大学研究人员在受控条件下进行了额外的测试，并进行了重复的机械测量。
当金刚石膜弯曲时，信号继续出现。
研究人员表示，结果的一致性为超薄金刚石结构的真正压电响应提供了证据。
这使得这一发现特别重要，因为它表明钻石可能具有以前被忽视的电功能。
微小的缺陷可能是突破的原因
研究人员还研究了是什么导致传统上被认为是非压电材料产生电压。
他们的计算指向了材料的微观结构。
这些膜是多晶的，这意味着它们含有许多微小的金刚石晶体。这些晶体相遇的边界（称为晶界）不具有完全对称的结构。
根据该团队的第一性原理计算，机械弯曲会导致这些边界周围出现电极化。
当膜弯曲时，这种极化会在其两个表面之间产生电势差。
换句话说，不寻常的电学行为可能并非来自完美有序的金刚石晶体本身。相反，晶体之间的微观边界似乎发挥着重要作用。
钻石不仅仅只是一个无源元件
潜在的应用使这一发现特别有趣。
金刚石已经提供了传统电子材料难以结合的品质。它非常耐用、化学稳定且具有高度生物相容性。
如果能够可靠地设计其新近展示的压电行为，金刚石膜就有可能充当微型设备中的结构和电活性组件。
一种可能性是感测。
柔性金刚石膜在弯曲或受到机械应力时可以产生电信号，从而使该材料可以充当传感器，而无需单独的电源。
钻石可以为医疗植入物提供动力吗？
医疗技术可能是这一发现最终被证明有用的另一个领域。
香港大学研究人员指出，金刚石的生物相容性和化学稳定性等特性可能使该材料对植入技术具有吸引力。
未来的设备可能会收集体内运动产生的少量机械能。然后，该能量可用于支持极低功耗传感器或其他微型电子设备。
此类应用仍然是未来的可能性，而不是已建立的医疗技术，但潜在的发现为研究人员提供了一个新的探索方向。
自供电电子产品的新可能性
这项研究的更广泛意义不仅仅限于钻石。
现代电子系统越来越需要无需传统电池即可长时间运行的传感器。在极小的设备中，更换电池或充电可能很困难，特别是当设备被植入、密封或放置在难以接近的位置时。
可以将机械运动转换为电信号的材料提供了一种潜在的解决方案。
因此，新观察到的超薄金刚石压电响应可能与自供电传感系统和微型能量采集器的开发相关。
金刚石在严苛环境中运行的能力使其对于传统材料可能降解或失效的应用特别有趣。
这一发现改变了科学家对钻石的看法
香港大学的研究并不意味着普通钻石可以突然用作家用发电机。
但科学上的转变仍然是惊人的。
在机械变形下，在专门设计的超薄多晶金刚石膜中观察到了这种效应。将实验室成果转化为实用的能源技术需要对产量、效率、可扩展性和设备集成等因素进行进一步研究。
长期被认为在这一特定方面不具有电活性的材料在其结构和尺寸改变时表现出可重复的响应。
这一发现表明，材料行为在非常小的尺度上可以发生多么巨大的变化，并表明，即使是最了解的天然材料之一，也可能仍然蕴藏着技术惊喜。
对于开发下一代传感器和微观能源系统的研究人员来说，这可能使钻石值得以全新的方式看待。