Diamanti per produrre elettricità, la scoperta di Hong Kong che sfida un’idea vecchia di un secolo

I diamanti possono produrre elettricità. È il risultato di una nuova ricerca condotta dall’Università di Hong Kong che per la prima volta ha dimostrato la capacità di questa struttura cristallina del carbonio di generare una differenza di potenziale quando sottoposta a una deformazione meccanica. La scoperta, che mette in discussione una convinzione scientifica consolidata dagli inizi del Novecento, è arrivata dopo numerosi esperimenti su membrane di diamante ultrasottili e policristalline, ottenute mediante un metodo di esfoliazione dei bordi recentemente sviluppato. In questa forma, il diamante, nonostante la sua eccezionale durezza, può flettersi e comportarsi come un materiale piezoelettrico, nonostante la sua struttura estremamente rigida abbia storicamente portato ad escludere questa possibilità. Questa limitazione ha influenzato l’utilizzo dei diamanti che, nella microelettronica, sono stati tipicamente impiegati solo come supporto strutturale per altri materiali piezoelettrici.

“I nostri esperimenti colmano una lacuna che dura da un secolo nella classificazione del diamante come materiale piezoelettrico” spiegano i professori Zhiqin Chu e Yuan Lin della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Hong Kong che hanno coordinato il lavoro. “Abbiamo posto le basi per lo sviluppo di dispositivi piezoelettrici a base di diamante per applicazioni nella generazione di energia, nella sensoristica e in molti altri ambiti”.

“Una scoperta inattesa”: il diamante produce elettricità

Inizialmente, l’effetto piezoelettrico nei diamanti è stato notato per caso. “Avevamo osservato effetti elettrostatici insoliti, mentre conservavamo le membrane ultrasottili in una piastra Petri in plastica” raccontano i ricercatori. Le membrane si deformavano in modo reversibile quando il coperchio della piastra si avvicinava o si allontanava. “Poiché è noto che i coperchi delle piastre di Petri in plastica accumulano cariche, il fenomeno ci ha suggerito che la presenza di cariche elettriche associate alle membrane di diamante” hanno aggiunto gli studiosi.

Esaminando più a fondo le proprietà delle membrane, i ricercatori hanno identificato la loro risposta piezoelettrica: quando vengono sottoposte a una deformazione meccanica, possono generare una differenza di potenziale. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

Come il diamante genera elettricità quando si deforma

Ridurre il diamante in membrane policristalline ultrasottili e flessibili permette a questo materiale, normalmente rigido, di piegarsi molto più di quanto possano fare cristalli di dimensioni maggiori. Questa flessione genera un potenziale elettrico legato alla struttura della membrana stessa, in cui i singoli cristalli di diamante presentano un’asimettrica nella disposizione in corrispondenza dei bordi.

Man mano che la membrana si flette, attorno a queste regioni si verifica una polarizzazione di carica elettrica. Ciò crea una differenza di potenziale elettrico tra la superficie superiore e quella inferiore della membrana, producendo la tensione osservata.

Questo effetto è stato osservato in membrane di circa 5 micrometri di spessore, nelle quali il coefficiente di tensione piezoelettrica ha raggiunto un valore di picco di circa 82,2 millivolt metri per newton, superiore a quello di molti materiali piezoelettrici convenzionali, come il piombo-zirconato di titanio, impiegato per esempio in sensori, attuatori e trasduttori, e il titanato di bario, impiegato soprattutto in sensori e condensatori ceramici.

“Inoltre, le membrane di diamante sono anche estremamente stabili, generando una tensione elevata in modo costante per oltre 7000 cicli di flessione con una deformazione dello 0,35%” hanno precisato gli studiosi, secondo cui questi risultati potrebbero aprire la strada a nuove applicazioni del diamante nella sensoristica intelligente e nell’elettronica indossabile, oltre a favorire ulteriori sviluppi nel campo dei dispositivi piezoelettrici.