Ученые БФУ им. И. Канта и МГУ им. М.В. Ломоносова доказали, что электрический отклик гибкого магнитоэлектрического материала можно значительно усилить и сделать стабильным, заранее задав расположение магнитных микрочастиц внутри полимерного слоя. Такой подход позволяет управлять свойствами материала не только за счет выбора его состава, но и с помощью внутренней архитектуры. Результаты работы могут быть востребованы при создании гибких сенсоров, автономных источников энергии и биосовместимых электронных устройств.
Физики изучили двухслойный гибкий композит, состоящий из пленки пьезоэлектрического полимера и магнитоактивного эластомера — мягкого полимерного материала, содержащего микрочастицы железа. Пьезоэлектрический слой способен преобразовывать механическую деформацию в электрический сигнал, а магнитные частицы позволяют управлять деформацией композита с помощью внешнего магнитного поля. Ключевым элементом эксперимента стала внутренняя структура эластомера. Обычно магнитные частицы в полимерной матрице распределяются хаотично. Ученые же во время изготовления материала воздействовали на него магнитным полем, заставляя частицы железа выстроиться в направленные параллельные цепочки. После затвердевания полимера эта структура сохранялась.
Исследование показало, что такое упорядоченное расположение частиц существенно меняет поведение всего композита. Под действием переменного магнитного поля цепочки частиц вызывают значительно более выраженную и направленную деформацию магнитоактивного слоя. Она передается соседнему пьезоэлектрическому слою, в результате чего возникает существенно более сильный электрический сигнал. При этом исследователи обнаружили еще одно важное свойство: в отличие от композитов с хаотическим распределением магнитных частиц, материал с цепочечной структурой сохраняет стабильный магнитоэлектрический отклик при изменении упругости полимерной основы.
Если представить такой материал как "умный сэндвич", то одна его половина преобразует механическую деформацию в электрический сигнал, а вторая содержит крошечные частицы железа. В обычном эластомере эти частицы расположены хаотично. Мы заранее выстроили их в цепочки, и оказалось, что именно такая архитектура позволяет гораздо эффективнее управлять деформацией всего композита под действием магнитного поля. В результате мы получаем более сильный и стабильный электрический отклик, причем он не зависит от того, насколько мягкой или упругой остается полимерная матрица, — объяснила руководитель проекта, доцент кафедры магнетизма МГУ им. М.В. Ломоносова Людмила Макарова.
От материала — к автономной электронике
Магнитоэлектрические материалы, способные преобразовывать магнитное воздействие в электрический сигнал, активно исследуются во всем мире. Однако значительная часть таких систем создается на основе жестких компонентов, например, керамики. Гибкие полимерные материалы обладают преимуществами для носимой и мягкой электроники, но их свойства могут меняться из-за подвижности магнитных частиц внутри эластичной матрицы.
Предложенный подход позволяет решить эту проблему за счет управления не только химическим составом материала, но и его микроструктурой.
Наша работа показывает, что внутреннюю архитектуру композита можно использовать как самостоятельный инструмент настройки его функциональных характеристик. Это особенно важно для гибкой электроники, где материал должен одновременно оставаться мягким, деформируемым и при этом обеспечивать воспроизводимый электрический сигнал. Полученные результаты открывают возможности для создания автономных систем энергосбора, которые смогут преобразовывать рассеянные механические и электромагнитные колебания окружающей среды в электрическую энергию, — отмечает директор НОЦ «Умные материалы» БФУ им. И. Канта Валерия Колесникова.
В перспективе подобные материалы могут использоваться в гибких датчиках, элементах автономного энергоснабжения, носимой и портативной электронике, а также в биосовместимых сенсорах. Одним из возможных направлений является создание устройств, которым для работы не потребуется традиционный источник питания: они смогут получать энергию непосредственно из окружающих механических или электромагнитных воздействий.
Следующим этапом работы научного коллектива станет переход от изучения фундаментальных механизмов к разработке инженерных устройств. Исследователи планируют оптимизировать полученные гибкие структуры для биомедицинских применений, в том числе биосовместимых платформ и «умных» пластырей, а также для систем автономного сбора энергии и высокочувствительных энергонезависимых сенсоров.
Исследование представлено в Journal of Applied Polymer Science.
Источник: Минобрнауки России
