Ученые из Международного института электроники и технологий (МИЭТ), работающие в международном составе, достигли значительного улучшения пьезоэлектрического эффекта в кристаллах глицина. По их данным, благодаря механической полировке данной аминокислоты можно повысить пьезоэлектрическую отдачу этих кристаллов в 3–5 раз по сравнению со стандартными образцами.
Это исследование имеет важное значение для разработки компактных биосовместимых электромеханических устройств, отметили специалисты. Итоги работы опубликованы в журнале Physica Scripta.
Создание микро- и наноустройств, способных взаимодействовать с человеческим организмом, является одним из ключевых направлений современной медицины. Например, как показали эксперименты, электростимуляция клеток способствует ускорению процессов заживления, а внедрение электрических компонентов в имплантаты улучшает их функцию и управление, рассказали ученые Национального исследовательского университета МИЭТ.
В настоящее время для производства такой электроники применяют полимерные материалы и композиты, хорошо совместимые с живыми тканями, однако наиболее благоприятными для организма считаются соединения, естественно присутствующие в теле человека в больших количествах. В качестве такого вещества рассматривается глицин — простейшая аминокислота, выступающая нейромедиатором в центральной нервной системе и содержащаяся во многих белках живых организмов.
В твердой фазе глицин образует кристаллы, обладающие разнообразной внутренней структурой. Некоторые из этих кристаллических форм проявляют пьезоэлектрические свойства, благодаря которым при механическом воздействии, например сжатии, возникает электрический ток.
Кроме того, в упорядоченных кристаллах при нагревании наблюдается движение заряженных частиц, называемое сегнетоэлектрическим эффектом, пояснили исследователи. Совместная работа ученых из МИЭТ, МИРЭА, а также коллег из Португалии и Нидерландов привела к разработке метода повышения электрической активности глициновых кристаллов.
Этот метод заключается в локальной механической полировке глициновых образцов. «Кристаллы, отполированные на молекулярном уровне, показали улучшенные пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические характеристики, а также более эффективное переключение при подаче электрического поля», — отметил доцент Института перспективных материалов и технологий Максим Силибин.
Ученый пояснил, что именно данная полировка усиливает пьезоэлектрический эффект глицина, что в дальнейшем может увеличить чувствительность сенсоров и повысить эффективность энергетических устройств.
Степень усиления пьезоэлектрического отклика зависит от направления приложенного давления: вдоль одной оси эффект возрастает втрое, а в перпендикулярном направлении – в пять раз. «Глубокое понимание и контроль явлений в глициновых кристаллах откроет путь к созданию приборов для прямого взаимодействия с нервными импульсами мозга и нервной системы», — добавил Максим Силибин.
В дальнейшем команда исследователей из МИЭТ и МИРЭА планирует изучить иные механические и химические методы обработки глициновых и аналогичных материалов для дальнейшей оптимизации их пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических свойств. МИЭТ входит в программу государственной поддержки «Приоритет-2030» в рамках национального проекта РФ.