Der Diamant ist vor allem für seine Härte bekannt. Ein Team der Universität Hongkong zeigt jedoch, dass ultradünne Diamantmembranen eine elektrische Spannung erzeugen können, wenn sie gebogen werden. Diese Eigenschaft eröffnet einen Weg für kleine Sensoren und autonome Geräte.
Das beobachtete Phänomen gehört zur Piezoelektrizität. In bestimmten Materialien verschiebt eine mechanische Verformung die elektrischen Ladungen geringfügig und erzeugt eine Potenzialdifferenz. Der Diamant galt bisher als nicht piezoelektrisch.
(A) Piezoelektrischer Effekt der ultradünnen Diamantmembran bei wiederholtem Drücken und Loslassen.
(B) Zeitleiste der entdeckten piezoelektrischen Materialien.
(C) Diamantmembran mit 5,08 cm Breite und 1 μm Dicke vor und nach der Verformung.
(D) Die Membran nähert sich einem negativ geladenen Stab an und entfernt sich von einem positiv geladenen Stab, um dann ihre ursprüngliche Form wieder anzunehmen.
Die Forscher verwendeten keinen geschliffenen Stein. Sie stellten eine Membran aus polykristallinem Diamant her, die dünn und flexibel genug ist, um gebogen zu werden, ohne zu brechen. Diese ungewöhnliche Form ermöglicht es, die Reaktion des Materials auf Verformungen zu untersuchen.
Bei den Biegeversuchen erzeugte die Membran stabile elektrische Signale. Das Team wiederholte die mechanischen Tests unter verschiedenen Bedingungen, um unter anderem äußere Störungen oder Effekte durch Materialkontakte auszuschließen.
Die Erklärung liegt vermutlich an den Grenzen zwischen den vielen kleinen Kristallen, aus denen die Membran besteht. Diese Korngrenzen weisen nicht alle die gleiche atomare Anordnung auf. Wenn sie verformt werden, kann sich dort eine elektrische Polarisation aufbauen.
Diese Asymmetrie erzeugt dann eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Seiten des Films. Der Mechanismus unterscheidet sich von dem eines perfekten Kristalls, dessen sehr regelmäßige Struktur diesen Effekt nicht hervorruft. Das Material behält so seine mechanischen Eigenschaften und gewinnt gleichzeitig eine elektrische Funktion.
Diese Kombination ist für miniaturisierte Systeme interessant. Diamant ist widerstandsfähig gegen Verschleiß, Hitze und viele chemische Umgebungen. Membranen, die eine Verformung erkennen können, könnten daher in Sensoren für extreme Bedingungen eingesetzt werden.
Die Autoren erwähnen auch medizinische Anwendungen, insbesondere für implantierbare Geräte. Seine Biokompatibilität und chemische Stabilität sind Vorteile.
Das Ergebnis betrifft ultradünne polykristalline Diamantmembranen, nicht gewöhnliche Diamanten. Weitere Forschungen müssen die Haltbarkeit des Verfahrens und seine Herstellung in größerem Maßstab klären. Sie werden zeigen, ob dieser Effekt zu einer praktischen Lösung werden kann, um winzige Geräte mit Strom zu versorgen oder auszustatten.