Tạo điện từ nước và áp suất trong lỗ rỗng silicon

Bước tiến đột phá: Thu nhỏ phòng thí nghiệm lượng tử vào chip

Công nghệ bán dẫn WBG: Cuộc cách mạng trong điện tử công suất

Microchip hợp tác Delta Electronics phát triển chip silicon carbide tiết kiệm năng lượng

Các hạt silicon xốp nhỏ. Ảnh: Phòng thí nghiệm Haifa Shen

Cách thức tạo ra điện năng từ những nguyên liệu quen thuộc nhất là nước và silicon, vừa trở thành hiện thực nhờ nghiên cứu đột phá của các nhà khoa học Đức. Phương pháp này hứa hẹn thay đổi cách chúng ta tiếp cận việc thu hoạch năng lượng từ môi trường xung quanh.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Hamburg (TUHH) và các đồng nghiệp từ Trung tâm gia tốc Electron Synchrotron Đức (DESY), một trong những trung tâm máy gia tốc hạt hàng đầu thế giới, đã chứng minh khả năng biến năng lượng cơ học thành điện năng thông qua ma sát nước bên trong các lỗ rỗng silicon có kích thước nanometer. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ giao thông đến y tế.

Tiến sĩ Manuel Brinker, giáo sư tại Viện vật liệu và vật lý tia X của TUHH, giải thích cơ chế hoạt động theo cách dễ hiểu. "Khi nước bị ép vào những lỗ rỗng cực nhỏ rồi được đẩy ra ngoài liên tục, quá trình này tạo ra sự tách biệt điện tích giống như khi chúng ta cọ xát tay trên áo len rồi chạm kim loại," ông nói.

Cơ chế vận hành đơn giản nhưng hiệu quả

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát triển một hệ thống được gọi là Máy phát điện nano điện áp ma sát xâm đẩy-kéo (IE-TENG). Hệ thống này hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản. Áp suất được tác động lên nước, ép chất lỏng này di chuyển qua lại trong các kênh silicon có đường kính chỉ vài nanometer. Quá trình này tương tự như việc bóp một chiếc xốp có nhiều lỗ nhỏ trong nước, nhưng diễn ra ở quy mô cực kỳ nhỏ bé.

Sự khác biệt quan trọng nằm ở việc kiểm soát chuyển động nước một cách chính xác. Các nhà nghiên cứu thiết kế cấu trúc silicon vừa dẫn điện vừa có tính kỵ nước, tạo điều kiện lý tưởng cho việc tách biệt điện tích. Mỗi lần nước di chuyển qua thành lỗ rỗng, electron được trao đổi giữa hai bề mặt, sinh ra dòng điện có thể thu hoạch được.

Tiến sĩ Luis Bartolomé từ Trung tâm nghiên cứu CIC EnergiGUNE của Tây Ban Nha nhấn mạnh tính ưu việt của nguyên liệu. "Chúng tôi chỉ sử dụng silicon - chất bán dẫn phong phú nhất trên Trái Đất - kết hợp với nước - chất lỏng sẵn có nhất. Không cần bất kỳ vật liệu hiếm hoặc độc hại nào," ông khẳng định.

Điện được tạo ra trong các lỗ xốp silicon thông qua ma sát do áp suất và nước gây ra. Công nghệ này phù hợp để sử dụng ở những khu vực chịu áp suất cơ học cao, chẳng hạn như bộ giảm xóc xe. Nguồn: TU Hamburg, DESY, Künsting

Hiệu suất ấn tượng

Nguyên mẫu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 9%. Theo các nhà nghiên cứu, đây là một trong những kết quả cao nhất từng ghi nhận cho loại máy phát điện nano sử dụng chất rắn và chất lỏng.

Công nghệ mới này hoạt động trong điều kiện hoàn toàn khác biệt. Thay vì phụ thuộc vào ánh sáng, hệ thống chỉ cần áp suất cơ học - một dạng năng lượng có sẵn trong rất nhiều hoạt động hàng ngày. Việc đi bộ, lái xe, thậm chí cả rung động từ máy móc đều có thể trở thành nguồn cung cấp điện năng.

Giáo sư Manuel Brinker từ TUHH giải thích về ứng dụng tiềm năng. "Chúng tôi hình dung công nghệ này được tích hợp vào bộ giảm xóc ô tô, biến mỗi cú va chạm thành nguồn điện nhỏ. Hoặc trong quần áo thông minh, mỗi bước chân của người mặc có thể sạc pin cho các cảm biến theo dõi sức khỏe," ông mô tả.

Tác động tích cực với môi trường

Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là tính thân thiện với môi trường. Quá trình hoạt động không tạo ra khí thải, tiếng ồn hay chất thải độc hại. Nước được sử dụng trong hệ thống có thể được tái chế hoàn toàn, trong khi silicon có tuổi thọ rất cao và có thể tái sử dụng nhiều lần.

Các ứng dụng tiềm năng trải rộng từ cảm biến môi trường tự cung cấp điện đến hệ thống giám sát xa không cần bảo trì. Trong y tế, công nghệ có thể được tích hợp vào các thiết bị cấy ghép, sử dụng chuyển động cơ thể để tự sạc pin mà không cần phẫu thuật thay thế.

Tiến sĩ Simone Meloni từ Đại học Ferrara và Tiến sĩ Yaroslav Grosu từ CIC EnergiGUNE, hai tác giả chính của nghiên cứu, nhìn nhận đây là bước khởi đầu cho thế hệ công nghệ mới. "Vật liệu được điều khiển bởi nước sẽ dẫn dắt chúng ta đến kỷ nguyên của các hệ thống tự duy trì, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài," họ kết luận.

Thành công này đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc khai thác những nguồn năng lượng sẵn có xung quanh chúng ta, hứa hẹn một tương lai bền vững hơn cho các thế hệ mai sau.