Odkrili piezoelektrik v monosloju

Raziskovalci so eksperimentalno pokazali, da je molibdenov sulfid (MoS₂) v obliki ene same plasti piezoelektričen. To pomeni, da deformacija materiala povzroči nastanek električne napetosti, ki jo lahko izkoristimo za opravljanje koristnega dela. Odkritje ima potencial zlasti za proizvodnjo pametnih električnih naprav, ki jih bomo nosili (wearable electronics) in jim bo treba nekako zagotavljati dovolj električne energije za delovanje, in za električne merilnike.

Piezoelektričnost ni nov pojav in tudi materiale, ki ga izkazujejo, že dolgo poznamo. Prav nasprotno, piezoelektrični efekt sta brata Paul-Jacques in Pierre Currie odkrila že leta 1880, do danes pa ga rutinsko uporabljamo v širokem spektru aplikacij - od elektronskih mikroskopov do pametnih telefonov. Zavoljo tega je tudi atomsko ozadje sorazmerno dobro preiskano.

Samo materiali s polarizirnimi domenami (npr. PbTiO₃ ali PbZrO₃) in materiali, ki nimajo centrosimetrične strukture (ZnO, GaN), so lahko piezoelektrični. Posebej zanimivi pa so materiali, ki imajo centrosimetrično strukturo, a jo izgubijo, ko jih razlistamo do posameznih plasti. Grafit, heksagonalni borov nitrid (bor in dušik tvorita spojine, ki so primerljive z ogljikom; poznamo anorganski benzen B3N3H6, diamantu analogen sfaleritni borov nitrid, grafenu podoben heksagonalni borov nitrid itd.) ter številni dihalkogenidi prehodnih elementov (med njimi MoS₂) imajo drugačno strukturo in lastnosti, kadar imamo samo eno plast atomov, kot če jih imamo več (bulk). Kadar jih sestavlja več različnih atomov (h-BN, prehodni halkogenidi), to pomeni odsotnost centra inverzije oziroma centralne simetrije.

Teoretični izračuni so že pred leti kazali, da bi moral biti MoS₂ v monoplasti izjemno piezoelektričen. Prve eksperimentalne preiskave so to sedaj potrdile. Raziskovalci so nanesli monoplasti ali več plasti spojine na upogljiv substrat (polimetilmetakrilat, polivinilalkohol na siliciju) in merili piezoelektričnost. Ugotovili so, da upogib za pol odstotka ustvari 15 mV pri 20 pA za eno lusko velikost nekaj kvadratnih mikrometrov. Preračunano na površino to pomeni 2 mW m^-2, kar se ne sliši mnogo, a v resnici predstavlja 5-odstotni izkoristek pri pretvorbi mehanske energije v električno. Električna napetost je bila sorazmerna z deformacijo. Zanimivo je, da (tudi v skladu z napovedmi) dvoplastni vzorec povsem izgubi piezoelektričnost, saj se efekt obeh plasti ravno izniči, medtem ko jo troslojni material spet piezoelektričen, a bistveno manj. Efekt pri debelejšem nanosu hitro izzveni.

Efekt ima potencial za uporabo tam, kjer drugih virov energije ni. To je na primer elektronika za nošnjo, medicinski vsadki ipd. Poleg tega piezoelektričnost ni uporabna zgolj kot vir električne energije, temveč je nujno potrebna v vrsti detektorjev. Če ste se kdaj vprašali, kako vaš telefon ve, kdaj ga obračate in nosite sem ter tja, je odgovor akcelerometer. Ti so lahko piezoelektrični, čeprav v vašem pametnem telefonu najbrž niso.