Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hà Nam (Trung Quốc) vừa công bố một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu nano. Họ phát triển thành công loại sợi gốm mới có thể tăng gấp 3 lần hiệu suất phát điện của máy phát điện nano áp điện (PENGs), một công nghệ đang được kỳ vọng sẽ thay đổi cách giám sát và vận hành lưới điện trong tương lai.
Máy phát điện nano áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý vật liệu áp điện. Khi bị nén, kéo giãn hoặc rung, các vật liệu này tạo ra điện năng. Các hệ thống PENG tận dụng dao động cơ học rất nhỏ, như rung lắc trên dây truyền tải điện, chuyển động cơ thể người hay hoạt động máy móc, để thu năng lượng. Vấn đề lớn nhất của PENGs từ trước đến nay là hiệu suất phát điện quá thấp, khó tích hợp vào các hệ thống cảm biến thực tế.
Hình ảnh sợi gốm dưới kính hiển vi.
Để khắc phục điều đó, nhóm nghiên cứu đã tạo ra sợi gốm dạng nhánh, sử dụng vật liệu BCZT (barium-calcium-zirconium-titanate) phủ lớp hạt nano bạc. Cấu trúc dị thể (heterostructure) giữa bạc và gốm giúp cải thiện đáng kể khả năng phân tách và vận chuyển điện tích, tương đồng với việc tạo ra "lối đi riêng" cho dòng điện chạy qua hiệu quả hơn.
Theo nhóm nghiên cứu, khi chịu tác động, sợi gốm này tạo ra các rào năng lượng Schottky giúp hướng dòng điện tích di chuyển đúng hướng, thay vì bị phân tán như ở vật liệu truyền thống.
Nhờ đó, hiệu quả phân cực của vật liệu tăng cao, đồng thời việc vận chuyển điện tích cũng nhanh và chính xác hơn. Khi được trộn vào nhựa PVDF, máy phát điện nano có thể tạo ra công suất lên tới 96,4 volt và 15,52 microampe, cao gấp 3 đến 6 lần so với vật liệu không có sợi đặc biệt này.
Không dừng ở lý thuyết, nhóm nghiên cứu còn xây dựng một nguyên mẫu hệ thống giám sát đường dây truyền tải điện, sử dụng chính loại vật liệu này. Thiết bị có thể tự thu năng lượng từ dao động của dây dẫn mà không cần pin. Khi kết hợp với mạch điện tử, kết nối không dây và trí tuệ nhân tạo, hệ thống có thể phát hiện chính xác tới 96% xem thiết bị chống rung hoạt động bình thường, sắp hỏng hay đã hư hỏng hoàn toàn.
Điều này cho thấy tiềm năng rất lớn trong việc ứng dụng vào cảm biến thông minh tự cung cấp năng lượng cho ngành điện lực, giúp tiết kiệm chi phí, nâng cao độ an toàn và giảm thiểu thời gian bảo trì.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là kết quả nghiên cứu giai đoạn đầu. Theo Giáo sư Lỗ Hạo Uy, chuyên gia vật liệu tại Trường Vật lý và Điện tử, Đại học Hà Nam, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để có thể triển khai đại trà trong môi trường thực tế.
Cụ thể, nhóm cần tăng thêm hiệu suất phát điện, tích hợp trơn tru với hệ thống điện tử, đảm bảo hoạt động ổn định mà không cần nguồn dự phòng và đặc biệt là kiểm chứng khả năng hoạt động dưới điều kiện phức tạp của lưới điện thực tế.
