Ученые из России разработали инновационный гибкий композитный материал, предназначенный для применения в гибкой и носимой электронике. Отличительной особенностью нового материала является его способность преобразовывать магнитное поле в электрическую энергию с эффективностью, втрое превышающей показатели существующих аналогов. Информация об этом достижении была предоставлена пресс-службой Министерства науки и высшего образования РФ.
Современная электроника широко использует материалы, способные эффективно конвертировать различные виды энергии друг в друга, например, магнитную в электрическую. Материалы с такими свойствами, известные как мультиферроики (обладающие одновременно магнитными и электрическими свойствами), находят применение в различных устройствах, включая датчики, системы хранения данных и элементы для сбора энергии.
В отличие от традиционных электронных материалов, работающих исключительно на основе электрических принципов, мультиферроики могут одновременно реагировать как на магнитные, так и на электрические поля. Это свойство позволяет создавать на их основе более компактные и энергоэффективные электронные приборы.
Однако традиционные мультиферроики, как правило, отличаются жесткостью и хрупкостью, что ограничивает их использование в приложениях гибкой электроники. В связи с этим исследователи по всему миру активно работают над созданием эластичных аналогов, которые сохранили бы высокую эффективность преобразования энергии. По данным Минобрнауки РФ, эта задача является приоритетной.
Совместная группа ученых из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН успешно разработала именно такой гибкий композитный материал. Этот материал обладает магнитоэлектрическими свойствами и создан на основе полимерной матрицы с добавлением наночастиц феррита кобальта.
В основе нового композита лежит силиконовый эластомер — очень мягкий и гибкий полимер. Его соединили с пленкой из поливинилиденфторида, который способен генерировать электричество при механическом воздействии, таком как сгибание. В состав также включили наночастицы феррита кобальта, в которых часть атомов кобальта была замещена на цинк или никель. Такая модификация позволила целенаправленно изменять магнитные свойства композита: добавление цинка уменьшало сопротивление размагничиванию, а никель повышал его восприимчивость к слабым магнитным полям.
Проведенные испытания показали, что образец композита, содержащий ионы цинка, демонстрирует наилучшие показатели по преобразованию магнитного поля в электрическое напряжение. Согласно информации от Минобрнауки РФ, эффективность этого варианта материала в три раза выше по сравнению с композитом на основе чистого феррита кобальта. Его характеристики оказались сравнимы с параметрами некоторых пьезоэлектрических генераторов, применяемых, например, в беспроводных датчиках.
Как отметила Валерия Родионова, директор Научно-образовательного центра “Умные материалы и биомедицинские приложения” БФУ, “Мы продемонстрировали, что даже минимальные изменения в химическом составе наночастиц способны существенно повысить магнитоэлектрический отклик материала. Этот аспект критически важен при разработке малогабаритных и легких электронных устройств, например, для обеспечения питания носимой электроники”.
По мнению Родионовой, разработанные материалы в перспективе могут стать основой для создания высокоэффективных технологий, предназначенных для сбора энергии из повсеместно присутствующих электромагнитных полей.
Следующим этапом работ ученых станет создание рабочего прототипа устройства на базе нового материала. Цель — разработать прибор, превосходящий существующие аналоги по таким параметрам, как прочность, легкость и экономичность производства.
Данное исследование было выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Результаты научной работы опубликованы в международном журнале Polymers.
