|
Công
nghệ Nano tiên tiến báo trước kỷ nguyên mới trong kỹ thuật đốt
nóng, làm lạnh & phát điện nói chung
Các nhà
nghiên cứu tại Đại học Boston và Học viện công nghệ
Massachusetts (MIT) đã sử dụng công nghệ nano để đạt được
những cải thiện lớn về khả năng tăng hiệu suất nhiệt điện, đây
là cột mốc mở đường cho một thế hệ các sản phẩm mới – từ các
thiết bị bán dẫn, máy điều hòa không khí, hệ thống ống xả trên ô
tô cũng như các công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời –
giúp vận hành sạch hơn.
Nhóm
nghiên cứu sử dụng hướng tiếp cận với chi phí giá rẻ, giải trình
chi tiết được xuất bản trực tuyến trang trang mạng của Tạp chí
Khoa học, bao hàm việc xây dựng các cấu trúc nano được tạo thành
từ hỗn hợp các hợp kim với kích thước rất nhỏ, để có thể đáp ứng
được trong những máy làm lạnh vi mô & các máy phát điện. Các nhà
nghiên cứu cho biết, ngoài việc chi phí để sản xuất vật liệu này
rất rẻ thì phương pháp của họ sẽ đem lại những thành quả thiết
thực, trong ngắn hạn có thể được ứng dụng trong những sản phẩm
tiêu thụ ít năng lượng hoặc tận dụng được những nguồn năng lượng
lãng phí do quá trình vận hành các hệ thống máy móc thải ra mà
không được tái sử dụng.
Những
thành quả đã đạt được tiêu biểu cho một cột mốc đầy ấn tượng
trong quá trình tìm kiếm những bước cải thiện hiệu năng trong
ngành sản xuất nhiệt điện, bởi điều này vừa dụ dỗ vừa làm nản
lòng không biết bao nhiêu nhà khoa học từ khi khám phá ra nhiệt
điện vào thế kỷ 19 đến nay. Điều này hàm ý chắc chắn đến những
nguyên liệu có thể biến đổi nhiệt năng thành điện năng và ngược
lại. Nhưng họ đã vấp phải bế tắc then chốt khi cố gắng nâng cao
hiệu quả: phần lớn các vật chất vừa dẫn điện lại vừa dẫn nhiệt
nên nhiệt độ giữa chúng được cân bằng rất nhanh chóng. Để cải
thiện được hiệu suất, các nhà khoa học đã cố kiếm cho được những
vật liệu mà có thể dẫn điện nhưng không tương ứng về khả năng
dẫn nhiệt.
Ứng
dụng công nghệ nano, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm BC
và MIT đã thu được thành quả lớn trong khả năng tăng hiệu
suất nhiệt điện của hợp chất bán dẫn với thành phần cơ bản là
nguyên tố Tellurium
(Te) và hai phi kim khác là Bismuth (Bi) và antimony (Sb)[i]
- ở dạng các tấm rời – một hỗn
hợp hợp kim bán dẫn được dùng trong thương mại rất phổ biến từ
những năm 1950. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã làm tăng thêm hệ
số công ích (figure of merit: còn được gọi là hệ số chất
lượng) được 40% trong dạng hợp kim này, đây là một giới hạn
hiệu suất của vật liệu mà các nhà khoa học có thể đo lường được.
Thành
tựu này đánh dấu bước tăng tốc quan trọng trong nửa thế kỷ ứng
dụng những lợi ích của chất bán dẫn, đó là khả năng hoạt động
trong phạm vi nhiệt độ lên tới 250 độ C. Đây là bước tiến thành
công khi sử dụng hợp kim tương đối rẻ và thân thiện với môi
trường, dưới dạng các tấm rời, hàm nghĩa khám phá này có thể
nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong phạm vi lớn, ảnh hưởng
mạnh mẽ lên các thiết bị làm mát & tiêu thụ điện nói chung.
“Sử
dụng công nghệ nano, chúng tôi đã tìm ra cách để cải tạo vật
liệu cũ bằng cách làm tan rã chúng và xây dựng lại chúng trong
một hỗn hợp các cấu trúc nano ở dạng các tấm rời”, Zhifeubf Ren
– nhà khoa học vật lý tại Đại học Boston và là một trong những
người dẫn dắt dự án cho biết. “Phương pháp này chi phí thấp
và có thể ứng dụng phổ biến trong các sản phẩm sản xuất hàng
loạt. Đây là một cơ hội đầy kích thích để tận dụng hiệu suất của
các nguyên liệu nhiệt điện để mang lại lợi nhuận tối đa”
“Các
vật liệu sản sinh ra điện đã được dùng trong rất nhiều ứng dụng,
nhưng loại vật liệu tốt hơn này có thể mang đến những tác động
lớn hơn rất nhiều”, Gang Chen, Warren và Towneley Rohsenow – các
giáo sư tại Khoa cơ khí thuộc MIT & đồng thời là những người dẫn
dắt dự án cho biết.
Bài
toán “nóng và lạnh” của nhiệt điện là vấn đề trong tâm mà các
nhà vật lý đang cố gắng giải quyết. Thí dụ, đốt nóng điểm cuối
của dây kim loại, sẽ gây ra quá trình chuyển dịch của các hạt
điện tử [electron] tới đầu lạnh hơn, tức sinh ra dòng điện.
Ngược lại, cung cấp một dòng điện tương tự như vậy trong dây kim
loại sẽ dẫn đến nhiệt sinh ra từ các khu vực nóng lan sang những
khu vực lạnh. Phonon, một kiểu rung động lượng tử đóng vai trò
chìa khóa bởi đó là nguyên lý cơ bản trong sự truyền dẫn nhiệt ở
các chất rắn không dẫn điện.
Hợp
kim bán dẫn Bi – Sb - Te là một vật liệu được dùng phổ biến
trong các sản phẩm sinh ra điện từ nhiệt, các nhà nghiên cứu
nghiền nát chúng thành các hạt bụi ở cấp độ phân tử (nanocopic
dust) và thiết lập lại chúng trong các tấm rời, hợp thành những
lớp vảy nano. Các cấu trúc xiên cá và sắp xếp không theo quy
luật của hợp kim được thiết lập lại này sẽ làm giảm đột ngột
trạng thái chuyển động của các phonon trong vật liệu, làm biến
đổi triệt để hiệu suất sinh ra điện bởi sự tắc ngẽn các dòng
nhiệt năng trong khi cho phép dòng điện chuyển dịch.
Ngoài
Ren còn có 6 nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm BC, nhóm nghiên
cứu quốc tế này gồm các nhà nghiên cứu thuộc MIT: Chen; Mildred
S. Dresselhaus - giảng viên kỹ thuật; Bed Poudel - nhà khoa học
nghiên cứu tại Hãng năng lượng GMZ Inc; Junming Liu, nhà vật lý
thuộc Đại học Nam Ninh – Trung Quốc.
Các
nguyên liệu sản sinh ra điện bằng sự chênh lệch nhiệt độ đã được
NASA sử dụng để sinh ra năng lượng cho các tàu vũ trụ trong
những hành trình vào không gian rất xa ngoài trái đất. Nguyên
liệu này cũng được sử dụng trong các ghế ngồi đặc biệt trong ô
tô, giúp lái xe cảm thấy mát mẻ trong mùa hè. Ngành công nghiệp
ô tô đã thử nghiệm nhiều phương pháp sử dụng các nguyên liệu
nhiệt điện để chuyển đổi nhiệt thải ra từ các hệ thống xả của xe
ô tô thành dòng điện hữu ích.
Nghiên
cứu được hỗ trợ bởi Khoa năng lượng (MIT) và Quỹ Khoa học quốc
gia Hoa Kỳ.
Chú
thích hình ảnh
Mặt cắt ngang
của kết tinh dạng xiên của các hạt Bi – Sb - Te với kích thước
nano trong hỗn hợp hợp kim, được nhìn dưới kính hiển vi điện tử.
Các mảng màu sáng đặc trưng cho mỗi loại hạt trong hỗn hợp chất
bán dẫn. Nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Boston và MIT
bằng việc sử dụng công nghệ nano để tạo ra những cấu trúc vật
liệu mới đã đem đến bước cải thiện lớn về khả năng tăng hiệu
suất nhiệt điện. (Nguồn hình: web.mit.edu)
Module
mạch khép kín dạng đơn giản được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu
thuộc Đại học Boston và MIT nhằm chứng thực cách mà một hợp kim
chất bán dẫn được thiết kế lại, trong một khối lớn, đạt được
những cải thiện quan trọng về hiệu suất. Vật liệu này đóng vai
trò cột mốc trong lĩnh vực nghiên cứu nhiệt điện, mang lại rất
nhiều ứng dụng trong các sản phẩm sinh hoạt hàng ngày, từ những
thiết bị bán dẫn đến máy điều hòa không khí, hệ thống ống xả xe
ô tô hay công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời – giúp chúng vận
hành sạch hơn. (Nguồn hình: web.mit.edu)
Nam Hy Hoàng Phong (dịch theo “Boston
College, MIT researchers achieve dramatic increase in
thermoelectric efficiency”, Ed Hayward, MIT News)
Chú
thích
-
[i]:
Hợp chất bán dẫn Te – Bi – Sb này gồm thành phần chính là
Telua và hai thành phần phụ là Bi, Sb.
Thông tin về bài gốc
Trở về Trang Chính
| 