Ученые создали гибкий композитный материал на основе полимеров и наночастиц феррита кобальта, способный преобразовывать магнитные поля в электрическое напряжение. Такое преобразование может использоваться при создании датчиков, беспроводных устройств и систем сбора энергии, способных работать, используя окружающие магнитные поля, а не электричество. Исследователи обнаружили, что наиболее эффективно материал функционирует, если использовать наночастицы, в которых часть ионов кобальта замещена на цинк (цинк-кобальтовый феррит). Такой композит генерировал напряжение, в три раза превышающее характеристики материала с феррит-кобальтовыми наночастицами и сопоставимое с некоторыми пьезоэлектрическими генераторами, применяемыми в беспроводных датчиках. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.
В современной электронике востребованы материалы, способные эффективно преобразовывать разные формы энергии друг в друга, например, магнитную в электрическую. Так, например, 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 — жесткие и хрупкие, из-за чего их не используют в гибкой электронике. Поэтому ученые стремятся создать эластичные аналоги, которые сохранили бы высокую эффективность преобразования энергии.
Исследователи из БФУ им. И. Канта с коллегами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН разработали магнитоэлектрический композит, состоящий из полимеров и наночастиц феррита кобальта.
За основу авторы взяли силиконовый эластомер — мягкий и эластичный полимер на основе кремнийорганических соединений. Его объединили с пленкой из поливинилиденфторида — полимера, который генерирует электрическое напряжение при деформации, например, сгибании. К этим соединениям исследователи добавили наночастицы феррита кобальта.
Кроме того, ученые создали образцы с использованием наночастиц в качестве наполнителя, у которых часть ионов кобальта была заменена на цинк или никель. Это позволило настроить магнитные свойства композита. Так, цинк уменьшил его сопротивление размагничиванию, а никель повысил магнитную восприимчивость, сделав материал более чувствительным к слабым магнитным полям.
Исследователи поместили полученные композиты в переменное магнитное поле, сила которого различалась в разных точках пространства. Под действием поля силиконовый эластомер, содержащий наночастицы, изгибался и деформировал слой поливинилиденфторида. Тот, в свою очередь, генерировал электрическое напряжение. Оказалось, что наиболее эффективно магнитные поля в электрическое напряжение преобразует образец, в котором использованы частицы с частичным замещением ионов кобальта ионами цинка. Его эффективность оказалась в три раза выше, чем у материала, изготовленного с частицами чистого феррита кобальта и была сопоставима с некоторыми пьезоэлектрическими генераторами, используемыми 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. В будущем такие материалы могут лечь в основу энергоэффективных технологий, собирающих энергию из окружающих электромагнитных полей. В дальнейшем мы планируем выйти на изготовление прототипа и предложить альтернативный существующим аналогам прибор, который будет отличаться дешевизной, прочностью и легкостью», — рассказывает Валерия Родионова, кандидат физико-математических наук, директор НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ имени Иммануила Канта.
Иследование проводится в рамках Десятилетия науки и технологий в России.