Material de grosimi atomice generează electricitate

Un eşantion de disulfură de molibden (MoS2).
Un eşantion de disulfură de molibden (MoS2). (Rob Felt)

Inginerii au demonstrat că un singur strat atomic de bisulfură de molibden (MoS2) poate genera o tensiune electrică atunci când este întins sau comprimat. Efectul este cunoscut sub numele de piezoelectricitate. Oamenii de ştiinţă au prezis că, teoretic, acest fenomen este posibil în cazul materialelor subţiri de doar câteva grosimi atomice, dar aceasta este prima observaţie experimentală de acest gen.

Materialul ar putea constitui baza pentru generatoare electrice unice, care sunt uşoare, flexibile, extensibile şi, în ultimă instanţă, portabile.

"Acest material - alcătuit doar dintr-un singur strat de atomi - ar putea fi realizat ca un dispozitiv portabil, de integrat, probabil, în îmbrăcăminte, pentru a converti energia din mişcarea corpului dvs. în electricitate, precum şi senzori de energie portabili, dispozitive medicale, sau ceva ce poate furniza suficientă energie pentru încărcarea telefonului mobil în buzunarul dvs.", afirmă James Hone, profesor de inginerie mecanică la Universitatea Columbia şi co-lider al cercetării.

"Dovada efectelor piezoelectric şi piezotronic adaugă noi funcţionalităţi acestor materiale bidimensionale (2D)", spune Zhong Lin Wang, profesor la Şcoala de Ştiinţă şi Ingineria Materialelor Georgia Tech, co-lider al cercetării. "Comunitatea ştiinţifică specializată în materiale este încântată de disulfura de molibden şi, demonstrând efectul piezoelectric în ea, adaugă materialului o nouă faţetă".

Funcţionează doar în cazul stratului unic

Există două chei în utilizarea disulfurii de molibden pentru generarea curentului: utilizarea unui număr impar de straturi şi curbarea lui în direcţia corectă. Materialul este foarte puternic polarizat, observă Wang, afirmând că un număr par de straturi anulează efectul piezoelectric. Structura cristalină a materialului, de asemenea, este piezoelectrică numai în cazul anumitor orientări cristaline.

Pentru acest studiu publicat de Nature, echipa lui Hone a plasat fulgi subţiri de MoS2 pe substraturi de plastic flexibile şi a determinat modul în care structura de cristal a fost orientată folosind tehnici optice. Apoi echipa a modelat electrozi metalici pe aceşti fulgi.

Cercetătorii au remarcat faptul că tensiunea de ieşire şi-a inversat polaritatea, atunci când s-a schimbat direcţia fluxului aplicat, şi că a dispărut în mostrele cu un număr par de straturi atomice, confirmând prezicerile teoretice obţinute anul trecut. Prezenţa efectului piezotronic în cazul numărului de straturi impare ale MoS2 s-a observat, de asemenea, pentru prima dată.

"Ceea ce este cu adevărat interesant este că am descoperit acum ca un material asemănător MoS2-ului, care nu este piezoelectric în mod normal, dar poate deveni piezoelectric atunci când este subţiat până la un singur strat atomic", a afirmat Lei Wang, un cercetător post-doctoral din grupul lui Hone.

Parte a unei familii de materiale

De fapt, MoS2 este doar un material din grupul de materiale semiconductoare 2D, cunoscut ca metale de tranziţie dicalcogenide, despre care se afirmă că ar avea proprietăţi piezoelectrice similare. Acestea fac parte dintr-o familie mai mare de materiale 2D ale cărei materiale piezoelectrice rămân neexplorate.

Foarte important, aşa cum a fost demonstrat de Hone şi colegii săi, materialele 2D pot fi cu mult mai extensibile decât materialele convenţionale, în special tradiţionalele ceramici piezoelectrice, care sunt destul de fragile.

Cercetarea ar putea deschide calea dezvoltării unor noi aplicaţii pentru acest material şi proprietăţile sale unice.

"Aceasta este prima lucrare experimentală în acest domeniu şi este un exemplu elegant al modului în care lumea devine diferită atunci când dimensiunea materialului se micşorează până la scara unui singur atom", adaugă Hone.

Proiectul a fost finanţat de Departamentul de Energie al SUA, Biroul de Ştiinţe Energetice de Bază, alături de Fundaţia Naţională de Ştiinţe.

Sursa: Georgia Tech. Republicată de pe site-ul Futurity.org, sub licenţa Creative Commons 3.0.