Российские ученые создали новый материал для гибкой электроники
July 3, 2025
МОСКВА – Российские исследователи успешно разработали новый гибкий композитный материал, который демонстрирует значительный потенциал для применения в носимой электронике. Этот материал способен преобразовывать магнитные поля в электрическую энергию с эффективностью, в три раза превышающей показатели аналогичных существующих разработок. Об этом достижении сообщила пресс-служба Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Материалы, эффективно осуществляющие преобразование одной формы энергии в другую (например, магнитной в электрическую), пользуются большим спросом в современной электронной промышленности. Мультиферроики, сочетающие в себе магнитные и электрические свойства, являются примером таких материалов и находят применение в различных устройствах, включая датчики, системы хранения данных и устройства для сбора энергии.
В отличие от традиционных электронных материалов, функционирующих исключительно за счет электричества, мультиферроики обладают уникальной способностью одновременно реагировать как на магнитные, так и на электрические поля. Это их свойство позволяет создавать на их основе более компактные и потребляющие меньше энергии устройства.
В сообщении Минобрнауки РФ отмечается: «Однако большинство мультиферроиков характеризуются жесткостью и хрупкостью, что ограничивает их использование в гибких электронных устройствах. Поэтому ученые активно работают над созданием эластичных аналогов, которые при этом сохраняли бы высокую эффективность преобразования энергии».
Команда исследователей из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта совместно с коллегами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН успешно синтезировала такой эластичный магнитоэлектрический композит. Его основой стали полимеры и наночастицы феррита кобальта.
Базовым компонентом материала стал силиконовый эластомер – мягкий и податливый полимер. Его соединили с пленкой из поливинилиденфторида, известного своей способностью генерировать электрическое напряжение при механической деформации (например, при сгибании). В эту многослойную структуру были введены наночастицы феррита кобальта. При этом часть ионов кобальта была замещена ионами цинка или никеля. Этот метод позволил тонко настроить магнитные характеристики композита: добавление цинка снизило сопротивление размагничиванию, а никель повысил восприимчивость материала к слабым магнитным полям.
Проведенные эксперименты подтвердили, что образец с ионами цинка демонстрирует наибольшую эффективность в преобразовании магнитных полей в электрическое напряжение. По данным Минобрнауки РФ, эффективность этого образца оказалась в три раза выше, чем у материала, содержащего только чистый феррит кобальта. Этот показатель сравним с эффективностью некоторых пьезоэлектрических генераторов, широко применяемых в беспроводных датчиках.
Валерия Родионова, директор НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ, прокомментировала это достижение: «Мы убедительно продемонстрировали, что даже минимальные изменения в химическом составе наночастиц могут существенно усилить магнитоэлектрический эффект. Это открытие имеет исключительное значение для разработки компактных и легких устройств, таких как источники питания для носимой электроники».
По мнению Валерии Родионовой, разработанные материалы в перспективе могут стать фундаментом для создания энергоэффективных технологий, способных улавливать и использовать энергию из окружающих электромагнитных полей.
В ближайших планах исследователей – создание рабочего прототипа устройства и представление нового прибора, который, как ожидается, превзойдет существующие аналоги по таким параметрам, как прочность, легкость и экономичность производства.
Данное исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования России, а его подробные результаты опубликованы в научном журнале «Polymers».
July 3, 2025
MOSCOW – Russian researchers have successfully developed a new flexible composite material with significant potential for use in wearable electronics. This material is capable of converting magnetic fields into electrical energy with efficiency three times higher than that of existing counterparts. The press service of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation reported this achievement.
Materials that efficiently convert different forms of energy into one another (for instance, magnetic into electrical) are highly sought after in modern electronics. Multiferroics, which combine magnetic and electrical properties, are examples of such materials and are used in various devices, including sensors, data storage systems, and energy harvesting devices.
Unlike conventional electronic materials that operate solely on electricity, multiferroics possess the unique ability to respond simultaneously to both magnetic and electrical fields. This property enables the creation of more compact and energy-efficient devices based on them.
The Ministry of Science and Higher Education statement noted: «However, most multiferroics are rigid and brittle, which limits their use in flexible electronic devices. Therefore, scientists are actively working on creating elastic analogues that would still maintain high energy conversion efficiency.»
A team of researchers from Immanuel Kant Baltic Federal University, along with colleagues from Lomonosov Moscow State University and A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of the Russian Academy of Sciences, successfully synthesized such an elastic magnetoelectric composite. Its foundation consists of polymers and cobalt ferrite nanoparticles.
The base component of the material is silicone elastomer – a soft and pliable polymer. It was combined with a film made of polyvinylidene fluoride, known for its ability to generate electrical voltage when mechanically deformed (for example, by bending). Cobalt ferrite nanoparticles were introduced into this layered structure. Crucially, a portion of the cobalt ions was replaced with zinc or nickel ions. This method allowed for fine-tuning the magnetic characteristics of the composite: the addition of zinc reduced demagnetization resistance, while nickel increased the material`s sensitivity to weak magnetic fields.
Experiments conducted confirmed that the sample containing zinc ions demonstrated the highest efficiency in converting magnetic fields into electrical voltage. According to the Ministry of Science and Higher Education, the efficiency of this sample was three times higher than that of a material made with pure cobalt ferrite particles and was comparable to some piezoelectric generators widely used in wireless sensors.
Valeria Rodionova, Director of the Smart Materials and Biomedical Applications Research Center at BFOU, commented on the achievement: «We have convincingly shown that even minimal changes in the chemical composition of nanoparticles can significantly enhance the magnetoelectric effect. This discovery is of exceptional importance for the development of compact and lightweight devices, such as power sources for wearable electronics.»
According to Valeria Rodionova, the developed materials could potentially form the basis for creating energy-efficient technologies capable of capturing and utilizing energy from surrounding electromagnetic fields in the future.
The researchers` immediate plans include creating a working prototype of the device and introducing a new instrument that is expected to surpass existing analogues in parameters such as durability, lightness, and cost-effectiveness of production.
This research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of Russia, and its detailed results were published in the scientific journal «Polymers».
