«Это открытие представляет собой новый путь к экологически ответственным технологиям, которые могут питать датчики», - заявляет доктор Доминик Кубицки.
Современные устройства Интернета вещей и портативные устройства все больше полагаются на сбор энергии для питания датчиков и электроники без использования громоздких батарей. Пьезоэлектрические материалы, генерирующие электричество при механическом движении, являются перспективным решением для таких устройств. Однако проблема заключается в том, что самые эффективные пьезоэлектрики на сегодняшний день содержат токсичные компоненты.
Цирконат-титанат свинца (PZT), например, обладает высоким пьезоэлектрическим коэффициентом, но содержит около 60% свинца. Свинец, токсичный тяжелый металл, попал под действие международных нормативных требований. Аналогичным образом, ультрасовременные монокристаллы, такие как PMN-PT, могут обеспечить еще более высокие характеристики, но они также являются керамическими материалами, изготовленными на основе свинца.
Исследователи изучали оксидную керамику, не содержащую свинца, такую как BaTiO3 или NaNbO3, но ее чувствительность обычно достигает 50-200 pC/N и по-прежнему требует высокотемпературного спекания до получения хрупких форм. Инженерам приходится идти на компромисс: самыми прочными пьезоэлектрическими материалами являются токсичная, жесткая керамика, в то время как безопасные и гибкие варианты обладают гораздо более слабыми характеристиками.
Этот пробел стимулировал поиск новых материалов, которые могут сочетать высокую пьезоэлектрическую активность, механическую гибкость и низкую токсичность. Гибридные пьезоэлектрики, в которых сочетаются органические и неорганические компоненты, стали потенциально инновационным решением. Идея заключается в том, что органические компоненты могут придать гибкость и настраиваемость, в то время как неорганические элементы обеспечивают сильную поляризацию.
Ученые из Бирмингемского, Оксфордского и Бристольского университетов представили именно это. Новый гибридный материал, не содержащий свинца, и стратегия проектирования, которые в совокупности обещают изменить мир пьезоэлектрических материалов.
Чего достигли исследователи
Команда разработала гибридный органическо-неорганический кристалл с формулой (TMIM)3Bi2I9, где TMIM означает триметил(иодметилметиламмоний). Это соединение представляет собой галобисмутат, состоящий из одномерных анионных кластеров Bi2I9, сбалансированных органическими катионами. Важно отметить, что кристалл содержит висмут (Bi) вместо свинца, что обеспечивает его относительно низкую токсичность.
