Новые напечатанные на принтере наноструктуры способны генерировать электрический ток
Российские ученые создали чернила для струйных принтеров, состоящие из органических молекул. С их помощью можно будет «печатать» вещества, способные вырабатывать электрический ток под действием механических нагрузок, например, создавать «умные» покрытия, реагирующие на деформации, или «умные» ткани, способные менять характеристики. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Российские ученые предложили использовать органические молекулы для создания пьезоэлектриков. Это материалы, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Традиционно в качестве пьезоэлектриков используют пьезокерамику и монокристаллы.
Ранее один из соавторов этой работы, профессор Андрей Холкин из Университета Авейро (Португалия), с коллегами показал, что кристаллы некоторых фаз аминокислот обладают гигантскими пьезоэлектрическими свойствами. Оказалось, что они способны генерировать пьезоэлектричество, то есть вырабатывать электрический ток под действием механических нагрузок. Такие свойства используют, чтобы преобразовать колебания в электрические сигналы, и наоборот, и применяют для создания датчиков ускорений, давлений, мощных излучателей ультразвука и ударных волн и даже в качестве ячеек памяти в счетно-вычислительной технике.
Органические молекулы показали результаты гораздо лучше, чем используемые сейчас пьезоэлектрики из керамики, но эти результаты относились лишь к единичным микро- и нанообъектам. Группа исследователей из Университета ИТМО (Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики), имея опыт струйной печати оптических наноструктур, решила создать более крупные объекты, взяв за основу дифенилаланин ― вещество из класса пептидов (остатков аминокислот).
«Мы подумали: почему бы нам не начать воспроизводить большие массивы кристаллов пьезоэлектрических биомолекул, которые давали бы масштабные структуры упорядоченных соединений с высоким откликом? Это позволило бы в дальнейшем создать технические устройства на их основе», ― рассказал один из авторов исследования, директор Химико-биологического кластера Университета ИТМО, кандидат химических наук Александр Виноградов.
Для решения задачи ученые использовали струйную печать, применив метод растворной химии с контролируемым осаждением. Они создали специальный состав чернил на основе дефинилаланина для печати пьезоэлектрических массивов на обычных промышленных принтерах. Для диагностики свойств полученных массивов биомолекул ученые использовали атомно-силовой микроскоп, адаптированный для определения пьезоэлектрических эффектов. Ключевой задачей была настройка вязкости и текучести чернил, позволяющих построить стабильные во времени структуры. При этом нужно было сохранить анизотропию расположения кристаллов ― различие физических свойств вещества в зависимости от их направления в напечатанном объекте.
Ученые обнаружили новую кристаллическую фазу дефинилаланина. Она состоит из лентоподобных кристаллических объектов и не уступает по характеристикам наиболее активным пьезоэлектрическим веществам, известным на данный момент.
«Помимо уже известных фаз, которые представляют собой гексагональные – с сечением в виде равностороннего шестиугольника – нанотрубки дефинилаланина, нам удалось обнаружить новую фазу, которая обладает не менее удачными свойствами по генерации пьезоэлектричества. Образованию этой фазы поспособствовали химические компоненты, которые мы ввели в качестве модификаторов в состав чернил для струйной печати», ― пояснил ученый.
Пьезоэлектрические структуры, напечатанные новым способом, можно использовать для получения электричества посредством механических нагрузок: например, создавать «умные» покрытия, реагирующие на деформации, или «умные» ткани, способные менять характеристики. С помощью таких массивов можно получать и хранить информацию, разрабатывать на их основе различные микродевайсы. Проведенную серию экспериментов можно считать предпромышленной, потому что она была отработана на оборудовании, аналогичном используемому на производстве. Ученые утверждают: чтобы запустить печать аналогичных объектов в промышленность, потребуются лишь незначительные доработки параметров настройки оборудования.