Vật liệu mới có thể chuyển hóa nhiều năng lượng thành dòng điện tại cùng một thời điểm

Các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại khoáng vật có khả năng trích xuất năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau tại cùng một thời điểm – biến năng lượng mặt trời, nhiệt và động năng thành điện năng.

Khoáng vật này là một loại của cấu trúc Perovskite (tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt, khoáng chất perovskite được biết đến nhiều nhất là canxi titanat có công thức hóa học CaTiO3). Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu xác định được một loại khoáng chất perovskite có thể chuyển đổi năng lượng từ ba nguồn khác nhau trong nhiệt độ phòng.

Từ khi loại pin năng lượng mặt trời perovskite lần đầu tiên được phát minh vào năm 2009, loại khoáng vật này đã trở thành một nguyên liệu quan trọng trong công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo.
Pin mặt trời perovskite đã được chứng minh là rẻ hơn và hiệu quả hơn loại pin silicon truyền thống, và hiệu suất của chúng đã tăng từ mức 3,8% vào năm 2009 lên 22,1% vào năm 2016, biến chúng trở thành công nghệ năng lượng mặt trời tiên tiến nhất cho đến nay.
Nhưng năng lượng mặt trời có một vấn đề lớn: đó là điều gì sẽ xảy ra khi trời có ít ánh nắng hoặc không có, hay trong trường hợp các thiết bị phần lớn được sử dụng ở trong nhà?
Một nhóm từ Đại học Oulu ở Phần Lan đã nghiên cứu rất nhiều loại khoáng vật Perovskite khác nhau để tìm hiểu xem loại nào có thể khai thác năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, và họ đã phát hiện một ứng viên hoàn hảo – KBNNO (hoặc tinh thể nano Ba, Ni cùng biến đổi KNbO3).

Khoáng vật này sẽ không đủ hiệu suất để cung cấp năng lượng cho cả ngôi nhà của bạn giống như pin mặt trời perovskite, nhưng các nhà khoa học nói rằng nó có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử như điện thoại và laptop, cũng như rất nhiều các tiện ích thông minh khác sẽ sớm được lấp đầy trong ngôi nhà của bạn và trên đường phố.
“Điều này sẽ giúp thúc đẩy khả năng Vạn vật Kết nối và thành phố thông minh, nơi mà các cảm biến và thiết bị tiêu thụ điện có thể sử dụng nguồn năng lượng bền vững,” Yang Bai, một trong những nhà nghiên cứu của nhóm.
Giống như những loại Perovskite khác, KBNNO là một vật liệu sắt điện, có nghĩa là nó được lập đầy bởi các lưỡng cực điện hoạt động giống như những chiếc kim la bàn nhỏ xíu.
Khi la bàn được tiếp xúc với một nam châm, kim của nó sẽ di chuyển theo một hướng nhất định. Tương tự vậy, khi vật liệu sắt điện bị tác động bởi nhiệt độ, lưỡng cực của chúng bị lệch đi, và điều này giúp tạo ra một dòng điện. Tính chất này được biết đến với tên gọi hiện tượng hỏa điện.
KBNNO cũng có tính chất quang điện, nghĩa là nó có thể tạo ra một dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Thêm nữa, nó còn có cả tính chất áp điện, tức là có thể chuyển hóa áp lực tạo ra bởi chuyển động thành dòng điện.
Các nhà nghiên cứu trong quá khứ đã tìm ra được tính chất quang điện của KBNNO, và thậm chí còn tìm ra được tiềm năng của các tính chất khác. Nhưng họ chỉ tìm ra các tính chất này ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài trăm độ C dưới mức đóng băng) và điều này không khả khi trong thực tế.
Khi được thử nghiệm các tính chất tại nhiệt độ phòng, các nhà nghiên cứu tìm ra rằng, không chỉ hơn hẳn các loại khoáng vật perovskite khác khi tạo ra được dòng điện từ một nguồn năng lượng, thực tế KBNNO có thể tạo ra dòng điện từ ba nguồn khác nhau trong cùng một thời điểm. Điều này đã làm cho nó càng có giá trị hơn.
Các nhà khoa học cũng báo cáo rằng, họ đã tìm ra phương pháp thay đổi thành phần của KBNNO để nó có thể cải thiện các tính chất nhạy cảm với nhiệt độ và áp lực. Họ dự đoán rằng mức hiệu suất của KBNNO sẽ được tăng lên với các chỉnh sửa trong tương lai.
“Có khả năng tất cả các tính chất của nó có thể được điều chỉnh lên mức cao nhất”, Bai nói.
Việc sản xuất năng lượng hỗn hợp đã được phát triển trong quá khứ, nhưng các nhà nghiên cứu nói rằng điều làm cho khoáng vật này trở nên đặc biệt chính là cùng lúc cả ba tính chất tồn tại trong một cấu trúc tinh thể. Đơn giản là bạn không cần phải thêm vào bất cứ lớp vật liệu nào khác để có thể tận dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau.
Giống như những trường hợp khác khi mà những khám phá kiểu này được tìm ra, nó sẽ mất một khoảng thời gian dài trước khi loại khoáng vật này được phát triển để sử dụng trên thị trường. Các nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng, thậm chí chúng ta vẫn còn chưa chạm đến ngưỡng hiểu biết gần hết về tính chất của các loại khoáng vật trên Trái Đất.
Và nếu một trong số chúng cho thể giải phóng chúng ta khỏi sự thống trị của sạc dây, chắc chắn chúng ta sẽ rất hạnh phúc.