Физики научились управлять силой и стабильностью магнитоэлектрического эффекта

Ученые из Балтийского федерального университета им. И. Канта в сотрудничестве с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН и Самаркандского государственного университета (Узбекистан) выяснили, что электрический отклик гибкого материала можно усилить и сделать стабильным, если заранее задать расположение магнитных частиц внутри полимерного слоя. Такой подход позволяет управлять свойствами материала не только за счет выбора его состава, но и с помощью внутренней архитектуры. Результаты работы могут быть востребованы при создании гибких сенсоров, автономных источников энергии и биосовместимых электронных устройств.

Магнитоэлектрические материалы, способные преобразовывать магнитное воздействие в электрический сигнал, активно исследуются во всем мире. Однако значительная часть таких систем создается на основе жестких компонентов, например, керамики. Гибкие полимерные материалы обладают преимуществами для носимой и мягкой электроники, но их свойства могут меняться из-за подвижности магнитных частиц внутри эластичной матрицы. Предложенный подход позволяет решить эту проблему за счет управления не только химическим составом материала, но и его микроструктурой.

Авторы изучили двухслойный гибкий композит, состоящий из пленки пьезоэлектрического полимера и магнитоактивного эластомера — мягкого полимерного материала, содержащего микрочастицы железа. Пьезоэлектрический слой способен преобразовывать механическую деформацию в электрический сигнал, а магнитные частицы позволяют управлять деформацией композита с помощью внешнего магнитного поля.

Ключевым элементом исследования стал эксперимент с внутренней структурой эластомера. Обычно магнитные частицы в полимерной матрице распределяются хаотично. Ученые же во время изготовления материала воздействовали на него магнитным полем, заставляя частицы железа выстроиться в направленные параллельные цепочки. После затвердевания полимера эта структура сохранялась.

Эксперимент показал, что такое упорядоченное расположение частиц существенно меняет поведение всего композита. Под действием переменного магнитного поля цепочки частиц вызывают значительно более выраженную и направленную деформацию магнитоактивного слоя. Она передается соседнему пьезоэлектрическому слою, в результате чего возникает существенно более сильный электрический сигнал. При этом исследователи обнаружили еще одно важное свойство: в отличие от композитов с хаотическим распределением магнитных частиц, материал с цепочечной структурой сохраняет стабильный магнитоэлектрический отклик при изменении упругости полимерной основы.

«Если представить такой материал как «умный сэндвич», то одна его половина преобразует механическую деформацию в электрический сигнал, а вторая содержит крошечные частицы железа. В обычном эластомере эти частицы расположены хаотично. Мы заранее выстроили их в цепочки, и оказалось, что именно такая архитектура позволяет гораздо эффективнее управлять деформацией всего композита под действием магнитного поля. В результате мы получаем более сильный и стабильный электрический отклик, причем он не зависит от того, насколько мягкой или упругой остается полимерная матрица», — рассказала руководитель проекта, доцент кафедры магнетизма МГУ им. М.В. Ломоносова Людмила Макарова.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации