Физики МГУ предложили новый механизм описания магнитоэлектрического эффекта в полимерах

Ученые с кафедры магнетизма физического факультета МГУ совместно с коллегами из РТУ МИРЭА исследовали магнитоэлектрический эффект в слоистых структурах на основе полимеров. Результаты работы могут найти применение в области разработки низкочастотных антенн, автономных источников энергии, а также в области биомедицины. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Работы опубликованы в журналах Q1 Polymers и Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 

Магнитоэлектрический эффект — это эффект возникновения электрического сигнала в материале при приложении магнитного поля. Такой эффект наблюдается в особых материалах — мультиферроиках. В них можно увидеть одновременно магнитное и электрическое упорядочение. 

В исследовании была исследована двухслойная структура, состоящая из пьезополимера поливинилиденфторида (ПВДФ) и магнитного эластомера (электрически нейтрального полимера с добавлением микрочастиц железа).

«Чаще всего слоистые мультиферроики основаны на сегнетоэлектрических материалах, например, пьезокерамике, и магнитострикционных сплавах. В них создаются магнитоэлектрические преобразования, но механизм такого преобразования может быть разный. Мы углубились в сторону низкочастотных механизмов. Наш материал — магнитный эластомер — в однородных магнитных полях может деформироваться. При этом величина этой деформации на несколько порядков выше, чем деформация магнитострикционного сплава за счет того, что в основе материала магнитного эластомера лежит полимер с модулем упругости порядка одного мегапаскаля и меньше», — прокомментировала работу доцент кафедры магнетизма физического факультета МГУ Людмила Макарова.

Физики изучили две геометрии приложения однородных магнитных полей: продольную и поперечную. Эффект, полученный при приложении переменного и постоянного магнитных полей вдоль плоскости образца, сравним по величине с достигнутыми ранее эффектами в других мультиферроиках. Получено рекордно высокое значение перестройки резонансной частоты во внешнем магнитном поле, достигающее 360%. В данном случае механизм возникновения магнитоэлектрического эффекта аналогичен механизму в твердотельных мультиферроиках: за счет растяжения слоя магнитного эластомера и неразрывной связи между ним и пьезополимерным слоем образец изгибается и возникают соответствующие электрические напряжения. 

Когда поле направлено перпендикулярно слоистой структуре, эффект возрастает на два порядка. Подобный результат впервые получен для данного типа мультиферроиков, а для такой геометрии приложения магнитных полей величина эффекта превышает известные на данные момент результаты. Уникальным результатом является предложенный новый механизм для описания магнитоэлектрического преобразования в этой геометрии: механическая нестабильность магнитного эластомера в поперечном однородном магнитном поле.

Наличие полимеров в составе мультиферроиков расширяет области применения таких материалов. Полимеры делают материал гибким, а некоторые полимеры на основе силикона являются биосовместимыми. Важным является и то, что рабочая резонансная частота такого материала составляет около 20 герц (для твердотельных мультиферроиков это величина порядка 1000 герц).

В работе также предложены новые теоретические модели, которые позволяют описать наблюдаемые эффекты.