خم کردن برخی از مواد سبب ایجاد میدان الکتریکی می‌شود، پدیده‌ای که به آن اثر فلکسوالکتریک(Flexoelectric) می‌گویند.

اخیراً محققان کره‌ای[1] برای دستیابی به این اثر، به جای خم کردن ماده، خمش را در داخل آن رشد داده‌اند و با تغییر درجه خم‌شدگی قدرت میدان الکتریکی را تغییر دادند. این اثر می‌تواند بسیار قوی باشد به طوری که شاید روزی بتوان از آن در نانوحسگرها و یا فعال‌کننده‌های نانومتری استفاده کرد.

اثر فلکسوالکتریک را شاید بتوان از روی اثر پیزوالکتریک(Piezoelectric)شناخت. در اثر پیزوالکتریک وقتی بعضی از مواد فشرده یا کشیده می‌شود، میدان الکتریکی داخلی در آن ایجاد می‌شود. این اثر بسیار مفید، در بسیاری از ابزارها، از میکروسکوپ‌های تونلی(STM) گرفته تا یک فندک، به چشم می‌خورد. اما در کنار این کاربردهای بسیار مفید یک اشکال مهم هم دارد، و آن این است که این اثر تنها می‌تواند در 20 الی 32 ساختار کریستالی با طبقه بندی تقارنی خاص، وجود داشته‌باشد. این در حالی است که چنین محدودیتی برای اثر فلکسوالکتریک وجود ندارد و مواد با هر تقارنی قابلیت بروز چنین پدیده‌ای را دارند. با خم کردن یک کریستال لایه‌های اتمی درون آن کشیده‌می‌شوند و واضح است که بیرونی‌ترین لایه بیشترین کشش را خواهد داشت. این اختلاف کشش در لایه‌های مختلف می‌تواند آنقدر سبب انتقال یون‌ها در کریستال شود که نهایتاً یک میدان الکتریکی در آن ایجاد کند. با این وجود اثر فلکسوالکتریک تا به حال در موادی مانند کریستال‌های مایع، گرافین و حتی مو دیده‌شده‌ بود، و در اجسام جامد خیلی قابل توجه نبوده است.

روشی که محققان کره‌ای، یعنی تائه ون نو(Tae Won Noh)[2] و همکارانش به جای خم کردن یک ماده انعطاف‌پذیر به کار برده‌اند، این است که آن‌ها اختلاف کشش در سطوح مختلف را مستقیماً در داخل کریستال ایجاد کردند. برای ایجاد چنین ساختاری فیلم‌های نازکی از اکسید منگنز هولمیوم(HoMnO₃) روی لایه‌ای از یاقوت کبود که فاصله بین انم‌های آن سه و نیم درصد بیشتر از HoMnO₃ است، رشد داده‌شد. علت انتخاب HoMnO₃ این بود که، این ماده یک فروالکتریک است. فروالکتریک ماده‌ای است که می‌تواند میدان الکتریکی را در خود نگه دارد، درست مثل فرومغناطیس که قابلیت حفظ میدان مغناطیسی را در خود دارد. در فرآیند رشد HoMnO₃ روی یاقوت لایه‌ها طوری روی یکدیگر قرار گرفتند که اتم‌های هر لایه کمی از جای اصلی خود جابجا شده‌باشد. در واقع این عمل با استفاده از متراکم کردن اتم‌ها در لایه‌ها متوالی به وسیله بخار انجام شد که باعث می‌شد فاصله اتم‌ها در هر لایه نسبت به لایه زیرین کمتر شود. اما پایداری چنین ساختاری به شدت به اکسیژن موجود در محیط کشت بستگی دارد. کمبود اکسیژن سبب می‌شود تا در طی شکل‌گیری فیلم، فضاهای خالی بسیاری درون آن ایجاد شود و این مسئله قابلیت این ماده را برای متراکم کردن انم‌ها در ضخامت زیاد کاهش می‌دهد. واضح است که در چنین شرایطی فاصله بین اتم‌ها در بیرونی‌ترین لایه خیلی بیشتر از زمانی خواهد بود که اکسیژن بالایی در محیط وجود داشته‌باشد. پراکندگی اشعه ایکس از فیلم‌های با تراکم اکسیژن بالا نشان داد که اختلاف کشش در لایه‌های مختلف، یک تا ده میلیون بار بزرگتر از مقداری است که با خم کردن مواد ایجاد می‌شود. همانطور که ون نو اعتقاد دارد:" با دستیابی به چنین گرادیان کشش عظیمی، در اثر پدیده فلکسوالکتریک یک میدان الکتریکی بسیار یزرگ در ماده ایجاد می‌شود."

به طور معمول، میدان الکتریکی داخل یک ماده فروالکتریک در همه‌جا یکنواخت نیست و در هر ناحیه جهت و راستای خاصی دارد. این گروه از محققان کره‌ای نشان دادند که اثر فلکسوالکتریک در دماهای زیاد و در نمونه‌های با تراکم اکسیژن بالا آنقدر زیاد است که سبب ایجاد یک میدان الکتریکی یکنواخت در سرتاسر ماده می‌شود. اما برای نمونه‌های با اکسیژن پایین که گرادیان کشش کوجکتری دارند چنین پدیده‌ای اتفاق نمی‌افتد. بنابراین با تنظیم میزان اکسیژن در زمان شکل‌گیری این ساختار، می‌توان میدان الکتریکی داخل آن را کنترل کرد و با استفاده از این میدان الکتریکی قادر به تغییر مشخصات فیزیکی این ماده خواهیم بود.

ون نو اعتقاد دارد که فیلم‌های با گرادیان کشش بالا از سال‌ها قبل وجود داشته‌اند، اما هیچ‌کس تا به حال به اثر فلکسوالکتریک که داخل آن‌ها وجود داشت توجهی نکرده‌بود.

به اعتقاد گاستئو کاتالان(Gustau Catalan)[3] نتیجه اصلی این آزمایش این است که شرایط جوی در طول رشد فیلم‌ها بر روی پدیده فلکسوالکتریک تأثیر می‌گذارد و با تغییر این شرایط می‌توان خصوصیات فیزیکی یک ماده را عوض کرد.علاوه براین به گفته ون نو همانطور که انتظار می‌رود اثر پزوالکتریک در موتورها و حافظه‌های نانو در آینده کاربردهای مهمی داشته باشد، اثر فلکسوالکتریک نیز ممکن است چنین نقش مهمی را در ساخت این ابزارها ایفا کند.

منبع:

Electric Field from a Built-In Flex

By  Lisa Grossman

July 29,2011