Международная группа ученых при участии Геттингенского университета, Индийского института науки, Бангалора, Университета штата Пенсильвания и Университета штата Райт измерила механику крошечной кристаллической керамики. Материалы состоят из атомов, и если они расположены периодически, их называют кристаллическими структурами. Если размер этих кристаллических структур в 1000 раз меньше одного диаметра человеческого волоса, то они называются наноструктурами, такими как наностержни, нанопроволоки, наноленты, наноремни и т. д.
В некоторых случаях специальные атомные устройства позволяют им преобразовывать механическую энергию в электрическую. Эти материалы называются пьезоэлектрическими материалами. Они полезны для сбора энергии, а также в качестве различных электромеханических устройств для повышения качества жизни. Следовательно, важно иметь контроль над этими наноструктурами и измерять их механические реакции. До сих пор было неизвестно, отличается ли механическое поведение пьезоэлектрических нанокристаллов, содержащих атомарные дефекты, от чистого. Об этом недавнем исследовании сообщается в журнале Nano Letters.
В природе кристаллы никогда не бывают совершенными на 100 процентов, и они имеют разного рода структурные дефекты. Одним из таких типов дефектов является ошибка стекирования. Это считается конструктивным дефектом. При дефекте упаковки добавляется или отсутствует стопка периодических расположений атомов в кристаллах. Доктор Касра Момени, директор Лаборатории усовершенствованных иерархических материалов и преподаватель машиностроения Технического университета Луизианы, уточняет, что наличие структурных дефектов, включая дефекты укладки, может значительно изменить распределение напряжений. Это связано со сложным взаимодействием между полями напряжений от дефектов упаковки и полей от свободных границ наностержней, что может изменить механизм разрушения наностержней с дефектами упаковки по сравнению с совершенными.
Поскольку сбор энергии является одним из ключевых требований в наши дни, преобразование механических сил в полезную форму энергии, т. е. выходную электрическую мощность, является альтернативой другим способам преобразования энергии, а также эффективным подходом. несколько кристаллических керамических материалов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Мы ввели новую концепцию, согласно которой механика этих крошечных кристаллических керамических структур зависит от атомных дефектов. Например, они могут разрушаться, а их механические свойства не соответствуют ожидаемым. Рассмотрение этих фактов будет позволяют нам создавать устройства для сбора энергии из таких крошечных структур», - объясняет доктор Мумита Гош, ведущий научный сотрудник Геттингенского университета и бывший докторант Индийского института науки в Бангалоре.
Новое открытие раскрывает неинтуитивное ноу-хау дефектов с точки зрения механики в низкой размерности. Разработка дефектов в пьезоэлектрических наноматериалах в будущем позволит нам реализовать различные высококачественные и экономичные устройства для сбора энергии на основе вибрации, а также электромеханические устройства для биомедицинских исследований, диагностики и электронных приложений.