Ερευνητές του Columbia Engineering και του Georgia Institute of Technology ανέφεραν την πρώτη πειραματική παρατήρηση πιεζοηλεκτρισμού και του «πιεζοτρονικού» (piezotronic) φαινομένου σε υλικό πάχους ατόμου (δισουλφίδιο μολυβδαινίου), με αποτέλεσμα μία ηλεκτρογεννήτρια και συσκευές μηχαναίσθησης (mechanosensation) οι οποίες είναι διάφανες, εξαιρετικά ελαφρές και πολύ εύκαμπτες.
Σε paper που δημοσιεύτηκε online την Τετάρτη στο Nature, ερευνητικές ομάδες από τα δύο ιδρύματα επιδεικνύουν τη μηχανική παραγωγή ηλεκτρισμού από το δισδιάστατο υλικό. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε αυτό το υλικό είχε προηγουμένως προβλεφθεί θεωρητικά.
Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο το τέντωμα ή η συμπίεση ενός υλικού προκαλεί την παραγωγή ηλεκτρικής τάσης, ή το αντίθετο (δηλαδή η εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης προκαλεί συστολή ή διαστολή). Αλλά για υλικά πάχους μόλις μερικών ατόμων, δεν είχε σημειωθεί πειραματική παρατήρηση πιεζοηλεκτρισμού μέχρι σήμερα. Η εν λόγω παρατήρηση συνεπάγεται μία νέα ιδιότητα για τα δισδιάστατα υλικά όπως το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για νέα είδη μηχανικά ελεγχόμενων ηλεκτρονικών συσκευών.
«Το υλικό- ένα μόνο στρώμα ατόμων- θα μπορούσε να διαμορφωθεί ως wearable συσκευή, ενσωματωνόμενο ίσως σε ρούχα, για να μετατρέπει ενέργεια από την κίνηση του σώματος σε ηλεκτρισμό και να τροφοδοτεί wearable αισθητήρες ή ηλεκτρικές συσκευές, ή ίσως παρέχοντας αρκετή ενέργεια για να φορτίζει το κινητό σας στην τσέπη» σημειώνει ο Τζέιμς Χόουν, καθηγητής μηχανολογίας- μηχανικής στο Columbia και ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας.
«Η κοινότητα της έρευνας υλικών συναρπάζεται από το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, και η επίδειξη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου σε αυτό προσθέτει μια νέα διάσταση στο υλικό», συμπληρώνει ο Ζονγκ Λιν Γουάνγκ, του Georgia Tech, έτερος επικεφαλής της έρευνας.
Ο Χόουν και η ομάδα του είχαν επιδείξει την πρωτοφανή ανθεκτικότητα του γραφενίου το 2008. Αυτός και ο Λέι Γουάνγκ, μεταδιδακτορικός της ομάδας του, εξερευνούν ενεργά τις πρωτοποριακές ιδιότητες δισδιάστατων υλικών όπως το γραφένιο και το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, καθώς τεντώνονται και συμπιέζονται.
Από πλευράς, του ο Ζονγκ Λιν Γουάνγκ και η ομάδα του αποτελούν πρωτοπόρους στον τομέα των πιεζοηλεκτρικών νανογεννητριών και της μετατροπής μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Αυτός και ο μεταδιδακτορικός Ουενζούο Γου αναπτύσσουν επίσης πιεζοτρονικές συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικές φορτίσεις για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος μέσα στο υλικό.
Αξιοσημείωτο, όπως επισημαίνει ο Λέι Γουάνγκ, είναι το ότι διαπιστώθηκε πως ένα υλικό όπως το δισουλφίδιο μολυβδαινίου, το οποίο δεν είναι πιεζοηλεκτρικό σε όγκο, αποκτά πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες όταν λαμβάνει χώρα λέπτυνσή του σε στρώμα πάχους ατόμου.
Η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών πάνω στο υλικό. «Πρόκειται για την πρώτη πειραματική δουλειά πάνω στο αντικείμενο και αποτελεί ένα κομψό παράδειγμα σχετικά με το πώς αλλάζει ο κόσμος όταν το μέγεθος ενός υλικού μειώνεται στην κλίμακα ενός μεμονωμένου ατόμου» αναφέρει ο Χόουν.
Ο Ζονγκ Λι Γουάνγκ εκτιμά ότι η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πλήρη νανοσυστήματα πάχους ατόμου τα οποία θα είναι ενεργειακά αυτάρκη, καθώς θα συλλέγουν μηχανική ενέργεια από το περιβάλλον τους. Επίσης, όπως τονίζεται σε σχετική ανακοίνωση, η μελέτη αποκαλύπτει το πιεζοτρονικό φαινόμενο σε δισδιάστατα υλικά για πρώτη φορά, κάτι που επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες εφαρμογής πολυεπίπεδων υλικών σε τομείς όπως η αλληλεπίδραση ανθρώπων και μηχανών, η ρομποτική κ.ά.
