Mục lục
Một nhóm nghiên cứu Châu Âu bao gồm các nhà khoa học từ DESY và Đại học Công nghệ Hamburg đã công bố một máy phát điện nano triboelectric (triboelectric nanogenerator – TENG) mới. Thiết bị này tạo ra điện bằng cách đẩy nước vào và ra khỏi silicon có cấu trúc nano. Công trình của họ đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới việc cung cấp năng lượng không cần pin cho các cảm biến và các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp khác. Các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá xem liệu các thành phần đơn giản – silicon và nước – có thể được sắp xếp sao cho áp suất cơ học và chuyển động chất lỏng có thể đóng vai trò là nguồn điện đáng tin cậy thay vì năng lượng bị lãng phí hay không. Câu trả lời của họ là một máy phát điện triboelectric được xây dựng xung quanh silicon có cấu trúc nano, sử dụng dòng chảy của nước qua các lỗ rỗng được đo bằng nanomet để tạo ra điện tích.
Sự kết hợp đột phá: Silicon, nước và hiệu ứng Triboelectric
Cốt lõi của thiết bị là một cấu trúc silicon được thiết kế để đồng thời sở hữu ba đặc tính: dẫn điện, chứa đầy các lỗ rỗng nano, và kỵ nước (hydrophobic). Việc làm cho silicon dẫn điện là quy trình thông thường trong vi điện tử, nhưng kết hợp đặc tính đó với một kiến trúc lỗ rỗng nano được kiểm soát và các bề mặt đẩy nước (kỵ nước) trong cùng một mảnh vật liệu là một tiến bộ quan trọng. Sự kết hợp này cho phép nhóm nghiên cứu định hình cách nước đi vào, di chuyển qua và thoát ra khỏi mạng lưới lỗ rỗng. Điều này giúp ổn định hiệu ứng triboelectric và làm cho nó có khả năng mở rộng, thay vì chỉ là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm.
Cơ chế chuyển đổi năng lượng là triboelectrification – cùng một họ hiệu ứng gây ra điện tích khi một người bước trên thảm và sau đó xả điện bằng một tia lửa nhỏ khi chạm vào vật thể khác. Tuy nhiên, ở đây, pha chuyển động là một chất lỏng (nước) thay vì một đế giày rắn. Khi nước bị buộc vào và ra khỏi các lỗ rỗng Tiny dưới áp suất, nó cọ xát vào các bề mặt silicon rắn, truyền điện tích tại giao diện lỏng – rắn. Kiến trúc của thiết bị được thiết kế để thu thập điện tích giao diện này và chuyển đổi nó thành đầu ra điện có thể sử dụng được, thay vì để nó tiêu tán.
Hiệu quả chuyển đổi kỷ lục và ứng dụng thực tế
Một trong những tuyên bố đáng chú ý từ nhóm nghiên cứu là hiệu suất chuyển đổi đạt khoảng 9% đối với loại máy phát điện triboelectric này – mức cao nhất được báo cáo cho đến nay đối với các hệ thống tương tự. Về mặt thực tế, điều đó có nghĩa là một phần tương đối lớn năng lượng cơ học được sử dụng để đẩy nước vào và ra khỏi các lỗ rỗng sẽ xuất hiện dưới dạng năng lượng điện tại các cực của thiết bị. Đối với các hệ thống triboelectric, vốn thường gặp khó khăn với hiệu suất thấp hoặc không nhất quán, việc vượt qua ngưỡng này là rất quan trọng vì nó đưa khái niệm này đến gần hơn với ngân sách năng lượng thực tế cho các cảm biến và các thiết bị điện tử tiêu thụ điện năng thấp.
Các nhà nghiên cứu định vị công nghệ này là một con đường dẫn đến các hệ thống cảm biến tự hành, không cần bảo trì, vốn sẽ lấy năng lượng trực tiếp từ môi trường của chúng. Họ chỉ ra các ứng dụng như phát hiện nước, giám sát thể thao và sức khỏe trong các loại vải thông minh, và robot xúc giác (haptic robotics), nơi chạm hoặc chuyển động tạo ra tín hiệu điện cần thiết cho việc cảm biến.
Trong các tình huống này, máy phát điện có thể được tích hợp vào các bề mặt hoặc cấu trúc vốn đã phải chịu chuyển động hoặc áp suất, loại bỏ tiềm năng nhu cầu về pin hoặc nguồn điện có dây, và giảm chi phí bảo trì. Nhóm đã chỉ ra hệ thống treo xe (vehicle suspension systems) là một ví dụ. Bên trong một bánh xe, các cú sốc và rung động vốn đã tạo ra chuyển động cơ học và thay đổi áp suất. Việc nhúng một mô-đun triboelectric silicon-nước vào môi trường đó sẽ cho phép nén và giãn theo chu kỳ để đẩy nước qua mạng lưới lỗ rỗng nano, biến nhiễu cơ học bị lãng phí thành năng lượng cho các cảm biến cục bộ giám sát hiệu suất, độ mài mòn hoặc điều kiện an toàn.
Một khía cạnh đáng chú ý của công trình này là sự phụ thuộc vào các vật liệu dồi dào, đã được hiểu rõ thay vì các hợp chất kỳ lạ. Thiết bị sử dụng silicon, chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp điện tử, và nước, chất lỏng phổ biến nhất trên Trái đất. Những lựa chọn này không chỉ mang tính triết học, mà còn quan trọng đối với sản xuất và chi phí.
Dự án do Hamburg dẫn đầu nằm trong một làn sóng nghiên cứu rộng hơn về việc thu hoạch lượng năng lượng nhỏ từ chuyển động thường xuyên và dòng chảy môi trường. Ví dụ, ở Pháp, sinh viên đã chế tạo cổng quay metro tạo ra đủ năng lượng từ lưu lượng hành khách để vận hành màn hình hiển thị của nhà ga. Trong một nỗ lực khác, một nhóm quốc tế đã trình diễn các phương pháp khai thác năng lượng được tạo ra khi gió nhẹ đi qua các giọt nước, biến động lực học chất lỏng tinh tế thành nguồn năng lượng. Những phát triển song song này chỉ ra một hướng chung: xem chuyển động cơ học và chất lỏng hàng ngày là một tài nguyên năng lượng thay vì nhiễu nền.