Nova investigació sobre l'efecte piezoelèctric al diamant

Quan es tracta de diamant, la gent primer l'associa amb la substància natural més dura, un conductor tèrmic excepcional i pedres precioses enlluernadores. Fins i tot molts físics es sorprendrien al saber que aquest material de cristall simple ultra-rígid- també pot mostrar efectes piezoelèctrics.

 

A principis de 2026, un equip d'investigació conjunt de la Universitat de Hong Kong, la Universitat de Ciència i Tecnologia del Sud i la Universitat de Pequín va publicar un estudi innovador aAvenços de la Ciència. La troballa va anul·lar les teories físiques establertes, ja que els investigadors van descobrir una piezoelectricitat destacada i pràcticament aplicable a les pel·lícules de diamants policristal·lins ultra-fines i flexibles.

Què és l'efecte piezoelèctric

Descobert per primera vegada pels germans Curie l'any 1880, l'efecte piezoelèctric fa referència al fenomen en què determinats materials generen voltatge elèctric sota compressió o tensió. Per contra, es produeix una lleu deformació física quan s'aplica un corrent elèctric. Realitza la conversió mútua entre energia mecànica i elèctrica.

 

Un requisit previ fonamental per a aquest efecte és una estructura cristal·lina no-centrosimètrica, on els centres de càrrega positiva i negativa no coincideixen. La força externa desplaça aquestes càrregues i produeix una tensió macroscòpica. Les estructures cristal·lines perfectament simètriques no poden generar respostes piezoelèctriques. Aquest efecte s'aplica àmpliament en productes diaris com encenedors, timbres, sondes d'ultrasons mèdiques i filtres de telèfons mòbils.

 

Per què falla el diamant d'un-cristall mentre funciona la pel·lícula policristalina

El diamant natural d'un sol-cristall presenta una xarxa cúbica-centrada de cara molt simètrica formada per àtoms de carboni hibridats sp³. Els seus centres de càrrega positiva i negativa perfectament superposats mai es desplacen sota força externa, donant lloc a una tensió piezoelèctrica zero. Aquesta conclusió verificada el 1929 ha estat considerada durant molt de temps com un consens acadèmic indiscutible.

 

L'equip d'investigació va trencar aquesta limitació introduint defectes estructurals. Compostes de nombrosos grans entrellaçats, les pel·lícules de diamant policristalin contenen abundants límits de gra que pertorben la simetria original. Els càlculs teòrics demostren que la deformació de flexió desencadena la polarització asimètrica local als límits de gra, produint respostes piezoelèctriques mesurables.

Els resultats de les proves mostren que la seva constant de tensió piezoelèctrica arriba als 82,2 mV·m/N, superant molts materials piezoelèctrics convencionals.

 

Àmplies perspectives d'aplicació

El diamant té una duresa suprema, una conductivitat tèrmica ultraalta, una velocitat acústica ràpida, una gran bretxa de banda, una estabilitat química excepcional i una biocompatibilitat favorable. Abans no tenia piezoelectricitat, una propietat funcional clau.

Aquest avenç completa el rendiment integral del diamant, creant un material avançat-tot per adaptar-se a entorns extrems com ara el mar profund, l'espai exterior i els organismes humans. Permet la recollida d'energia simultània, la detecció de precisió i l'actuació d'alta-freqüència.

Les aplicacions prometedores cobreixen diversos camps:

• Implants mèdics autoalimentats: els stents cardíacs intel·ligents i els monitors de glucosa en sang poden funcionar de manera constant amb energia cinètica humana, evitant la cirurgia de substitució repetida.
• Sensors{0}}de condicions extremes: els sensors de diamant funcionen de manera fiable a l'interior de motors d'avions, canonades corrosives i reactors nuclears per a un seguiment-en temps real.
• Pegats de salut flexibles: les pel·lícules de diamant flexibles s'adhereixen estretament a la pell humana per detectar senyals fisiològics subtils i permetre un seguiment de la salut de-baix-potència a llarg termini.
• Dispositius de comunicació i quàntics de-última generació: combinat amb el rendiment piezoelèctric, el diamant facilita ressonadors-d'alt rendiment per a xarxes 5G i 6G i serveix com a components bàsics en sistemes d'informació quàntica acústica.