Тоньше человеческого волоса: российские учёные создали магнитные микропровода для умных материалов

Исследователи из НИТУ МИСИС разработали систему, которая позволяет дистанционно отслеживать деформации в различных объектах. Такая система может найти применение в создании бесконтактных датчиков и новых умных материалов. Учёные создали проводки из аморфных ферромагнитных сплавов, чей диаметр меньше человеческого волоса. Магнитные свойства материала меняются под воздействием температур и механического давления.
Российские учёные из НИТУ МИСИС разработали ультратонкие аморфные микропровода для бесконтактных датчиков и умных материалов. Это упростит и удешевит производство таких устройств, сообщили RT в пресс-службе университета. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Metals and Metallography.
Материалом для микропроводов стали аморфные ферромагнитные сплавы. Они обладают рядом важных свойств: биосовместимы, прочны, устойчивы к коррозии, а также имеют высокую магнитную чувствительность. Ферромагнетики — это вещества, имеющие очень высокую восприимчивость к внешнему магнитному полю. Причём собственная намагниченность таких материалов под влиянием магнитного внешнего поля не пропорциональна силе воздействия, а меняется по сложному нелинейному алгоритму. Также ферромагнетики благодаря свой высокой магнитной активности способны генерировать дополнительные частоты в сигнале электрического напряжения под внешним воздействием.
Характер генерации меняется в зависимости от конфигурации провода, это позволяет использовать подобные материалы в качестве бесконтактных датчиков механической деформации, объяснили авторы исследования.
«Когда ферромагнитные микропровода находятся в аморфном состоянии, их магнитные свойства сильно зависят от механических нагрузок-растяжений и нагрузок-сжатий. Например, если провод растянуть, то энергия, определяющая направление намагничивания, уменьшается. В результате намагниченность жилы медленнее реагирует на внешние магнитные поля и сигнал электрического напряжения становится шире, теряя высокие частоты», — пояснил RT доцент кафедры технологии материалов электроники НИТУ МИСИС Николай Юданов.
Авторы работы создали микропровода на основе железа, кобальта, кремния, бора и хрома, которые изменяют магнитные свойства при механическом воздействии. Провода покрыты стеклянной оболочкой, которая дополнительно помогает формировать уникальную магнитную структуру всего проводка.
Диаметр получившейся конструкции — всего 30 микрометров, что тоньше человеческого волоса (толщина волоса — 40 мкм. — RT).
Дополнительно учёные разработали магнитную систему для бесконтактного сбора данных с провода. Она представляет собой систему из плоских магнитных катушек. С её помощью можно дистанционно перемагничивать провод и считывать возникший в нём сигнал электрического напряжения. Разработанные учёными микропровода тоньше и дешевле аналогов. Вместе с системой считывания данных такие провода могут применяться при создании умных материалов, деформацию и повреждение которых можно отслеживать дистанционно.
В перспективе технология может найти применение в медицине как элемент умных имплантатов, состояние которых врач сможет отслеживать без необходимости их извлечения из организма пациента. Авторы работы отметили, что перед внедрением таких имплантатов в медицинскую практику ещё предстоит детально исследовать, как они будут вести себя в МРТ-аппарате. Однако теоретические расчёты показывают, что такое применение возможно благодаря очень малому диаметру проводков.
«Мы показали потенциал аморфных микропроводов в качестве бесконтактных датчиков для обнаружения механических напряжений, что способствует развитию технологий дистанционного мониторинга, например механических напряжений и температуры. Полученные результаты могут послужить основой для разрабатываемых умных материалов или смарт-имплантатов», — сообщила RT профессор кафедры технологии материалов электроники МИСИС Лариса Панина.