Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chất bán dẫn mềm dẻo linh hoạt có khả năng chuyển hóa hiệu quả nhiệt cơ thể thành điện năng thông qua kỹ thuật điều chỉnh khoảng trống nguyên tử, một bước đột phá mở ra nhiều khả năng mới cho các thiết bị đeo.
Cụ thể, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Queensland (QUT) đã phát hiện ra một vật liệu mới có thể hoạt động như chất bán dẫn linh hoạt cho các thiết bị đeo. Phương pháp của họ tập trung vào việc điều chỉnh các khoảng trống giữa các nguyên tử, được gọi là “khoảng trống nguyên tử,” trong cấu trúc tinh thể.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature Communications, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng kỹ thuật “điều chỉnh khoảng trống nguyên tử” giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của chất bán dẫn AgCu(Te,Se,S) — một hợp kim gồm bạc, đồng, tellurium, selenium và lưu huỳnh. Bằng cách kiểm soát cẩn thận các khoảng trống nguyên tử, họ đã tăng cường khả năng chuyển hóa nhiệt cơ thể thành điện năng của vật liệu này — một chức năng then chốt để cung cấp năng lượng cho các thiết bị đeo.
Điều chỉnh khoảng trống (vacancy engineering) nguyên tử là quá trình tạo ra và kiểm soát có chủ đích các vị trí nguyên tử trống trong một tinh thể. Bằng cách điều chỉnh các khoảng trống này, các nhà nghiên cứu có thể thay đổi các đặc tính cơ học, điện và nhiệt của vật liệu, dẫn đến những đột phá như chuyển hóa năng lượng hiệu quả hơn và khả năng linh hoạt cao hơn.
Tổng hợp chất bán dẫn linh hoạt
Bài báo trên Nature Communications mô tả quy trình trong đó các nhà nghiên cứu QUT đã tổng hợp chất bán dẫn linh hoạt AgCu(Te,Se,S) thông qua một phương pháp nóng chảy đơn giản và tiết kiệm chi phí.
Tác giả chính Nanhai Li cho biết việc kiểm soát chính xác khoảng trống nguyên tử không chỉ nâng cao khả năng chuyển hóa nhiệt thành điện mà còn mang lại cho vật liệu những đặc tính cơ học tuyệt vời, cho phép tạo hình vật liệu theo nhiều cách khác nhau để thích ứng với các ứng dụng thực tế phức tạp hơn.
Để chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tế, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một số thiết bị linh hoạt khác nhau dựa trên vật liệu này, có thể dễ dàng gắn vào cánh tay người dùng.
Giải quyết thách thức của công nghệ thiết bị đeo
Ông Li cho biết nghiên cứu này giải quyết được thách thức trong việc nâng cao khả năng chuyển hóa nhiệt thành điện của chất bán dẫn AgCu(Te,Se,S) mà vẫn giữ được sự linh hoạt và co giãn — những đặc tính rất cần thiết cho các thiết bị đeo.
“Các vật liệu nhiệt điện đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong vài thập kỷ qua nhờ khả năng độc đáo chuyển hóa nhiệt thành điện mà không gây ô nhiễm, không tạo tiếng ồn và không cần bộ phận chuyển động,” ông Li nói.
“Cơ thể con người, với vai trò là một nguồn nhiệt liên tục, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ so với môi trường xung quanh; khi chúng ta vận động, lượng nhiệt sinh ra càng nhiều, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn hơn giữa cơ thể và môi trường.”
Giáo sư Zhi-Gang Chen trong nhóm nghiên cứu cho biết với sự phát triển nhanh chóng của điện tử linh hoạt, nhu cầu về các thiết bị nhiệt điện linh hoạt đang tăng mạnh, và các nhà nghiên cứu QUT đang đi đầu trong lĩnh vực này.
Trong một nghiên cứu khác được công bố gần đây trên tạp chí Science, Giáo sư Chen cùng các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu ARC về Phát điện Không Phát Thải Hướng tới Trung hòa Carbon đã phát triển một lớp màng siêu mỏng, linh hoạt, có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị đeo thế hệ mới bằng nhiệt cơ thể, loại bỏ sự cần thiết của pin.
Tương lai của các thiết bị nhiệt điện linh hoạt
“Chìa khóa để thúc đẩy công nghệ nhiệt điện linh hoạt là phải xem xét mọi khả năng,” Giáo sư Chen nói.
“Các thiết bị nhiệt điện linh hoạt phổ biến hiện nay chủ yếu được chế tạo bằng vật liệu nhiệt điện vô cơ dạng màng mỏng, vật liệu nhiệt điện hữu cơ phủ trên nền linh hoạt hoặc vật liệu lai giữa hai loại này.
“Cả vật liệu hữu cơ và vô cơ đều có những hạn chế riêng — vật liệu hữu cơ thường có hiệu suất thấp, trong khi vật liệu vô cơ có khả năng dẫn nhiệt và điện tốt hơn nhưng lại giòn và không linh hoạt.”
“Loại chất bán dẫn được sử dụng trong nghiên cứu này là một vật liệu vô cơ hiếm có tiềm năng nổi bật về hiệu suất nhiệt điện linh hoạt. Tuy nhiên, các cơ chế vật lý và hóa học nền tảng để tăng hiệu suất trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tuyệt vời đến nay phần lớn chưa được khám phá.”
Các nhà nghiên cứu QUT đã áp dụng kỹ thuật điều chỉnh khoảng trống nguyên tử để kiểm soát chính xác các khoảng trống trong hợp kim AgCu(Te,Se,S), tạo ra một chất bán dẫn linh hoạt có khả năng chuyển hóa hiệu quả nhiệt cơ thể thành điện năng đồng thời duy trì đặc tính cơ học vượt trội. Ảnh minh họa: SciTechDaily
