美國科學(xué)家在近日出版的《自然》雜志在線版報(bào)告稱,他們首次在一塊單個(gè)原子厚度的二硫化鉬(MoS2)內(nèi)觀察到了壓電效應(yīng),證實(shí)了此前的理論預(yù)測,并研制出全球最纖薄的發(fā)電機(jī)兼力學(xué)感知設(shè)備,其不僅非常透明輕質(zhì)且可彎曲可拉伸。
壓電效應(yīng)指的是拉伸或按壓一種材料會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生電壓,或者反過來,施加電壓會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)被拉伸或者收縮。迄今為止,科學(xué)家們?nèi)詻]有在幾個(gè)原子厚度的材料內(nèi)觀測到壓電效應(yīng)。該研究的合作者、佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)和工程學(xué)教授王中林(音譯)表示:“最新研究不僅為二硫化鉬等二維材料提供了新屬性,也有助于科學(xué)家們研制出采用力學(xué)控制的新型電子設(shè)備。”
另一合作者、哥倫比亞大學(xué)力學(xué)工程學(xué)教授詹姆斯·霍恩表示:“這種材料只有單個(gè)原子層那么厚,有望被制成可穿戴式設(shè)備,或許可以將其整合進(jìn)布料內(nèi),將人體運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡?,從而為可穿戴傳感器、醫(yī)療設(shè)備或手機(jī)供電。”
王中林表示,使用二硫化鉬發(fā)電有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):使用奇數(shù)層并讓其在正確的方向彎曲,因?yàn)榕紨?shù)層會(huì)將壓電效應(yīng)相互抵消。
在最新研究中,霍恩團(tuán)隊(duì)將纖薄的二硫化鉬薄片放置在柔性塑料基座上,并使用光學(xué)技術(shù)確定其晶格的導(dǎo)向,隨后,他們將金屬電極置于該薄片上。王中林團(tuán)隊(duì)則將測量電極安裝在霍恩團(tuán)隊(duì)提供的樣本上,接著根據(jù)樣本的力學(xué)變形而測量電流。他們監(jiān)控機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換并觀察電壓和電流輸出。
研究人員稱,當(dāng)他們改變施加的拉伸力的方向時(shí),輸出電壓也會(huì)顛倒,而且,如果層數(shù)為偶數(shù)的話,樣本中的電壓也會(huì)消失,這是科學(xué)家們首次在奇數(shù)層二硫化鉬中觀察到壓電效應(yīng)。
王中林說:“像二硫化鉬這樣的材料,塊頭很大時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)壓電效應(yīng);但當(dāng)其厚度僅為一個(gè)原子時(shí),壓電效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn),這一點(diǎn)真令人著迷。”
實(shí)際上,二硫化鉬為過渡金屬硫族化合物的二維半導(dǎo)體材料中的一種,這些硫族化合物都被認(rèn)為擁有同樣的壓電效應(yīng),最新研究或許為這些材料擁有的獨(dú)特屬性和用武之地打開了大門。
王中林強(qiáng)調(diào)稱,最新研究首次揭示了二維材料的壓電效應(yīng),大大拓展了多層材料在人機(jī)交互、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)以及主動(dòng)柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。最終,我們或許可以研制出原子厚度的納米系統(tǒng),其可以利用來自于周圍環(huán)境的機(jī)械能供電。(劉霞)