Физики из России нашли объяснение тому, почему добавление графена в некоторые полимеры заставляет их вырабатывать электричество при сжатии и растягивании, и нашли способ улучшить их качества, сообщает пресс-служба Института математических проблем биологии РАН.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Он отличается высокой прочностью и уникальными электрическими свойствами. За создание графена выходцам из России Константину Новоселову и Андрею Гейму была присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.
Как отмечают Владимир Быстров из Института математических проблем биологии РАН и его коллеги, одним из самых необычных свойств графена является то, что добавление наночастиц из этого "нобелевского" материала резко меняет свойства многих полимеров, способных превращать механические колебания в электрический ток.
Феномен возникновения электрического тока при сжатии или механической деформации определенных материалов, так называемый пьезоэлектрический эффект, был открыт в конце 19 века французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. За последующие полтора века данное свойство нашло свое применение как в быту — в виде источника напряжения в зажигалках и чувствительного элемента в микрофонах, так и в науке, где пьезоэлектрический эффект используется для сверхточного манипулирования микроскопическими приборами.
Открытие подобных свойств у графена, по словам ученых, открыло дорогу для создания очень эластичных, легких и прочных полимерных пьезоматериалов, однако физики столкнулись с проблемой – их свойства менялись совершенно неожиданным и необъяснимым образом при изменении структуры. К примеру, когда физики добавляли графен в полимерный материал, изначально обладающий пьезоэлектрическими свойствами, его характеристики ухудшались, а не улучшались, как этого ожидали ученые.
Для решения этой загадки Быстров и его команда создали компьютерную модель подобных материалов, и проанализировали то, как менялись их свойства на уровне отдельных электронов и атомов при добавлении туда графена.
Как оказалось, пьезоэлектрические свойства этих материалов сильно зависели от того, на каком расстоянии друг от друга находились частички "нобелевского углерода" и молекулы полимеров. Если это расстояние было даже незначительно меньше или больше оптимальной дистанции между молекулами и графеном, то тогда сила эффекта уменьшалась и материал начинал хуже преобразовать механическую энергию в электрический ток.
Раскрыв корни необычного поведения графена, Быстров и его коллеги просчитали несколько оптимальных вариантов расположения наночастиц и молекул полимеров. Эти расчеты, как надеются ученые, помогут графеновым пьезоэлементам быстрее проникнуть в промышленность и быт россиян и жителей других стран.