Diamantes flexíveis: Cientistas criam membranas de diamante que geram eletricidade ao serem dobradas

Afinal os diamantes não são apenas os melhores amigos das mulheres. Do ponto de vista químico, o diamante é constituído por carbono, um dos elementos fundamentais da vida. Nós somos feitos de carbono, as árvores têm carbono, o CO₂ contém carbono. Sob determinadas condições, o mesmo elemento pode formar uma das substâncias mais valorizadas do mundo. A história do diamante pode resumir-se assim: carbono

• Pressão + temperatura
• Cristal
• Milhares de milhões de anos
• Mineração
• Corte
• Cultura
• Desejo
• Valor

A pedra é natural, mas grande parte do seu valor é uma construção humana.

Agora um novo estudo demonstrou que é possível a partir de membranas de diamante policristalino ultrafinas e flexíveis, produzir um efeito piezoelétrico, gerando uma resposta elétrica quando são deformadas mecanicamente.

Esta descoberta foi realizada por uma equipa internacional de cientistas, liderada por Zhiqin Chu, Yuan Lin e Kwai Hei Li, tendo Jixiang Jing como um dos primeiros autores. O estudo foi publicado na revista Science Advances, com o título: Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond membranes e partiu da verificação se o diamante é ou não um material piezoelétrico.

 Imagine um material que, quando é comprimido, dobrado ou deformado, produz uma diferença de potencial elétrico. É isso que acontece num material piezoelétrico. O fenómeno funciona também no sentido inverso: uma tensão elétrica aplicada a determinados materiais pode provocar uma deformação mecânica. Esta propriedade já é utilizada em inúmeras tecnologias, incluindo sensores, atuadores e dispositivos que transformam vibrações mecânicas em sinais elétricos. O problema é que o diamante não era considerado um material piezoelétrico.

Um diamante tradicional é muito rígido, mas os investigadores não utilizaram um bloco de diamante, produziram membranas com apenas alguns micrómetros de espessura. Uma das membranas tinha apenas 1 micrómetro de espessura, enquanto o melhor desempenho piezoelétrico foi observado numa membrana com aproximadamente 5 micrómetros.

Os investigadores começaram por observar um comportamento inesperado numa membrana de diamante com apenas 1 micrómetro de espessura. Quando aproximaram uma vareta de borracha carregada negativamente, a membrana curvou-se na sua direção. Perante uma vareta de vidro carregada positivamente, a membrana curvou-se no sentido oposto. Quando os objetos eram afastados, a membrana regressava à posição inicial.

Para termos uma ideia da escala, um micrómetro corresponde a um milionésimo de metro. Quando o diamante é reduzido a estas dimensões, uma membrana suficientemente fina pode ser dobrada sem se comportar como um pedaço rígido de diamante.

E aqui está provavelmente a parte mais interessante desta descoberta. Os investigadores utilizaram diamante policristalino, o que significa que a membrana não é constituída por um único cristal perfeito. É formada por muitos pequenos cristais, chamados grãos, que se encontram em regiões denominadas fronteiras de grão. Segundo os cálculos realizados pelos investigadores, essas fronteiras podem introduzir uma diferença local na estrutura do material. Quando a membrana é deformada, essa diferença altera a distribuição da polarização elétrica junto das fronteiras dos grãos. O resultado é uma diferença de potencial entre as duas superfícies da membrana, ou seja, uma resposta elétrica que se consegue medir.

Durante o crescimento por CVD, os investigadores começam com sementes de diamante com menos de 10 nm. Essas sementes crescem lateralmente até se juntarem e, posteriormente, o crescimento passa a ocorrer também para cima.

O modelo sugere então que uma membrana mais espessa, equivale a grãos maiores e a uma menor proporção de material influenciado pelas fronteiras de grão. Em consequência disso há uma menor resposta piezoelétrica.

Mas os investigadores tiveram de excluir outras possíveis origens para os sinais elétricos observados. No início dos trabalhos, consideraram, por exemplo, que a fricção da fita adesiva utilizada para separar as membranas poderia ter provocado acumulação de carga. No entanto, quando tentaram neutralizar essa carga através de ligação à terra, a resposta eletrostática persistiu, sugerindo que o fenómeno não era simplesmente causado por carga acumulada na superfície. Nos testes seguintes, utilizaram uma camada isolante entre a membrana e o substrato de PET para evitar transferência de carga superficial e realizaram experiências de deformação controlada.

A resposta manteve-se de forma consistente durante os ciclos de flexão, incluindo mais de 7000 ciclos a uma deformação de 0,35%. Como controlo adicional, os investigadores repetiram os testes com diamante monocristalino e uma folha de vidro, não observando uma saída elétrica evidente sob compressão.

O artigo científico revela que estas membranas atingiram um coeficiente de tensão piezoelétrica de aproximadamente 82,2 milivolts-metro por newton (mV·m/N). Este número é surpreendente porque supera o desempenho de muitos materiais piezoelétricos tradicionais e amplamente utilizados na indústria, como o PZT (titanato zirconato de chumbo) ou o nitreto de alumínio (AlN).

Com esta descoberta, uma membrana de diamante que consegue transformar deformação mecânica em sinal elétrico pode, no futuro, ser utilizada em:

• Sensores extremamente resistentes.
• Dispositivos eletrónicos flexíveis.
• Sistemas de recolha de pequenas quantidades de energia mecânica.
• Sensores médicos.
• Dispositivos implantáveis.
• Sistemas eletrónicos que funcionem sem uma bateria convencional.

Os próprios investigadores apontam aplicações potenciais em energy harvesting, sensores inteligentes e eletrónica vestível, mas realçam que estas são possibilidades futuras.