Инженеры и ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, совместно с коллегами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН, объявили о разработке гибкого композитного материала, способного преобразовывать внешние магнитные поля в электрическую энергию. Это перспективное достижение открывает новые возможности для создания энергоэффективных устройств, включая сенсоры, элементы беспроводных систем и различные технологии сбора окружающей энергии.
Новые горизонты для гибкой электроники
В современной технике особо востребованы материалы, способные трансформировать различные виды энергии — от магнитной до электрической. В этой области особое место занимают мультиферроики, которые сочетают в себе магнитные и электрические свойства. Такие материалы незаменимы для сенсорных технологий, устройств хранения данных и инновационных генераторов энергии. Однако классические мультиферроики обычно отличаются жесткостью и хрупкостью, что ограничивает их применение в гибкой электронике и носимых гаджетах.
Стремясь изменить сложившуюся ситуацию, специалисты из ведущих российских научных центров сконцентрировали свои усилия на создании эластичных композитов, сохраняющих высокую производительность при преобразовании энергии. Их работа — шаг к более удобной, легкой и эффективной электронике будущего.
Комбинированная архитектура: основа инновационного материала
Авторы исследования сконструировали композит из нескольких функциональных компонентов. За основу был выбран силиконовый эластомер — материал, известный своей гибкостью, легкостью и прочностью. Его объединили со слоем поливинилиденфторида (PVDF) — уникального полимерного материала, обладающего свойством генерировать электрическое напряжение при механической деформации. В качестве наполнителя были использованы наночастицы кобальтового феррита, известные своими превосходными магнитными характеристиками и наличием магнитоэлектрического эффекта.
Такое сочетание позволило создать композит, сочетающий эластичность, электропроводность и активное реагирование на воздействие магнитных полей.
Роль модифицированных наночастиц в повышении эффективности
В попытке улучшить характеристики и повысить эффективность генерации электричества из магнитных полей исследователи применили стратегию частичного замещения ионов кобальта в наночастицах на другие металлы — цинк и никель. Такой ход способствовал модификации магнитных свойств: цинк снижал сопротивление размагничиванию, а никель увеличивал чувствительность материалов к слабым магнитным воздействиям.
В частности, композит с цинк-кобальтовым ферритом показал рекордную эффективность, более чем втрое превышающую показатели образцов с немодифицированными наночастицами. Амплитуда возникающего напряжения была сопоставима с выдающимися пьезоэлектрическими генераторами — основой множества беспроводных датчиков нового поколения.
Технология испытаний и перспективные результаты
Для проверки своих гипотез ученые помещали образцы гибких композитов в нестабильное магнитное поле, изменяя условия воздействия и отслеживая реакцию материала. Под воздействием поля силиконовый эластомер изгибался, вызывая деформацию слоя PVDF, благодаря чему происходила генерация электрического сигнала.
Самым эффективным оказался образец, в котором кобальтовые ионы частично были замещены ионами цинка. Такой материал позволил достичь напряженности сигнала, втрое превышающей результаты исходных материалов с частицами чистого феррита кобальта. Эти параметры не только превосходят аналогичные показатели других композитных мультиферроиков, но и открывают новые пути для миниатюризации и удешевления электронных устройств.
Видение будущего: компактные решения для носимой электроники
Одна из руководителей проекта, Валерия Родионова, кандидат физико-математических наук, директор Научно-образовательного центра «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ имени Иммануила Канта, подчеркивает, насколько важны даже небольшие изменения в структуре наночастиц для усиления магнитоэлектрического эффекта. Это открывает путь к созданию легких, недорогих и прочных автономных устройств, которые смогут собирать энергию из окружающей среды — например, для питания носимой электроники.
Дальнейшие планы исследовательской команды включают разработку опытного образца инновационного устройства, способного конкурировать с существующими энергоэффективными решениями по доступности, легкости и долговечности. Такой подход позволит шире использовать сконструированный материал в разнообразных сферах — от медицины до высокотехнологичных носимых гаджетов.
Потенциал применения и драйверы инноваций
Разработка, осуществленная силами специалистов из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН, уже сегодня демонстрирует значительный потенциал для развития целого класса энергоэффективных технологий. Один из главных катализаторов этих преобразований — возможность получать электричество там, где оно ранее считалось недоступным.
С каждым новым этапом исследования растет интерес к подобным гибким материалам среди отечественных и зарубежных инженеров, разрабатывающих автономные источники питания, интеллектуальные сенсорные устройства и системы сбора энергии для умных домов и инфраструктуры. Подобные решения способствуют формированию новой технологической реальности — более доступной, удобной и экологичной.
Источник: indicator.ru
