Создан гибкий композитный материал, способный преобразовывать магнитные поля в электричество
Исследователи из Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта в сотрудничестве с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН разработали магнитоэлектрический композит, состоящий из 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, использующих для работы окружающие магнитные поля, а не электричество.
В современной электронике востребованы материалы, способные эффективно преобразовывать разные формы энергии друг в друга, например, магнитную в электрическую. Так, 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.
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. К этим соединениям исследователи добавили наночастицы феррита кобальта, а также создали образцы, в которых часть ионов кобальта была заменена на цинк или никель.
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 (цинк-кобальтовый феррит). Его эффективность оказалась в три раза выше, чем у материала, изготовленного с добавлением частиц 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», — отметила один из авторов разработки, директор НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ им. Иммануила Канта, кандидат физико-математических наук Валерия Родионова.
Ученые считают, что в будущем такие материалы могут лечь в основу энергоэффективных технологий, собирающих энергию из окружающих электромагнитных полей.