Все новости

В России объяснили механизм работы нового гибкого мультиферроика

Он может быть использован в медицине и гибкой электронике

МОСКВА, 16 февраля. /ТАСС/. Ученые из МГУ, Балтийского федерального университета им. Канта (БФУ, Калининград) и Института естественных наук и математики Уральского федерального университета (Екатеринбург) объяснили механизм работы нового мультиферроика, который может быть использован в медицине и гибкой электронике. Они доказали вклад упругого смещения частиц в магнитоэлектрическое преобразование, сообщили в среду в пресс-службе БФУ.

Мультиферроики - это вещества, обладающие как ферромагнитыми (намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля), так и сегнетоэлектрическими (возникновение поляризации в отсутствии внешнего электрического поля) свойствами. Соответственно, они проявляют эффекты, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем: индуцированние электрическим полем намагниченности, изменение диэлектрической постоянной под действием магнитного поля, переключение поляризации магнитным полем и намагниченности электрическим полем. Мультиферроики широко используются в настоящем мире в качестве датчиков, частотных фильтров, преобразователей энергии. Одно из преимуществ современных мультиферроиков - их многофункциональность, то есть один элемент на основе мультиферроика может "считать" изменившуюся информацию (сработать, как датчик), преобразовать эту информацию в регистрируемый сигнал (то есть сработать как преобразователь), а также, что возможно в будущем, накопить энергию для дальнейшей своей работы.

Новый мультиферроик на основе полимера является гибким и в некоторых случаях биосовместимым, устойчивым к агрессивным воздействиям, работает даже в вакууме - все это возможно за счет использования полимера. Он может быть использован в областях гибкой электроники, где требуется, например, преобразование или поглощение механических вибраций, электромагнитной энергии. А за счет биосовместимости полимера магнитоэлектрическое преобразование можно использовать и для биомедицинских приложений - везде, где требуются механические микровоздействия, сенсорные характеристики, преобразование сигнала, автономная работа.

В работе российских ученых представлены уникальные результаты моделирования и эксперимента, полученные для нового "умного" материала - мультиферроика, состоящего из мягкого полимера с расположенными внутри ферромагнитными и сегнетоэлектрическими частицами.

"Была разработана модель упругой связи между ферромагнитными и сегнетоэлектрическими частицами. В рамках модели ферромагнитные частицы взаимодействуют друг с другом, а также с внешним магнитным полем, сегнетоэлектрические частицы также взаимодействуют друг с другом и с внешним электрическим полем. Все частицы связаны между собой упругими виртуальными пружинами, в том числе частицы разных типов. Включая внешнее поле (магнитное или электрическое), одновременно проводились численные измерения их электрических (магнитных) свойств. Изменение магнитных (электрических) свойств под действием электрического (магнитного) поля означает магнитоэлектрическое преобразование. <…> Также был проведен эксперимент на образце эластомера <…>. Магнитные свойства образца измерялись в отстутсвии и в присутствии внешнего электрического поля, сравнение результатов между собой показало их изменение, то есть магнитоэлектрический эффект", - приводит пресс-служба слова научного сотрудника НОЦ "Умные материалы и биомедицинские приложения" БФУ им. И. Канта Людмилы Макаровой.

Неклассический механизм магнитоэлектрических преобразований

Работа доказала вклад чисто упругого смещения частиц в магнитоэлектрическое преобразование, то есть в преобразование энергии электрического поля в магнитную и энергии магнитного поля в электрическую. Он существенно отличается от известных на данный момент механизмов в мультиферроиках других видов.

"Новый мультиферроик не проявляет классического преобразования, которое обычно происходит за счет магнитострикции (изменения размеров ферромагнетика) и пьезоэффекта. В нашей работе под действием магнитного поля в образце смещаются магнитные частицы, деформируют полимерную среду, что приводит к изменению расположения сегнетоэлектрических частиц и, как следствие, изменению суммарной электрической поляризации образца. Этот эффект работает и в обратную сторону: под действием электрического поля смещаются сегнетоэлектрические частицы, заставляя через упругий полимер смещаться ферромагнитные частицы и изменяя суммарные магнитные свойства образца", - пояснили в пресс-службе.

Ключевым моментом является мягкость полимерной матрицы. Это значит, что даже в отсутствие пьезоматрицы, в которой при возникновении механических деформаций возникали бы электрические напряжения, возможен магнитоэлектрический эффект в материалах на основе мягкого полимера.