Máy phát bằng sợi nano lấy điện từ chuyển động của cơ thể

alt

Sơ đồ máy phát bằng sợi nano của Yong Shi và các cộng sự. Ảnh: Yong Shi

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Stevens và Đại học Princeton vừa tiết lộ một loại dụng cụ mini sử dụng các sợi nano để phát điện. Máy phát nano của họ có thể khai thác năng lượng từ chuyển động của con người hoặc những chuyển động khác để cấp nguồn cho các bộ cảm biến không dây, các dụng cụ điện tử di động, và thậm chí cả các cơ quan cấy ghép trong y khoa.

Yong Shi, một kĩ sư cơ học tại Stevens, phát biểu: “Chúng tôi đặc biệt hào hứng trước việc sử dụng các máy phát trên cơ sở sợi nano trong các tình huống tương thích sinh học, như nhúng các dụng cụ đó trong giày dép và quần áo để khai thác năng lượng từ chuyển động của cơ thể con người để cấp điện cho các dụng cụ điện tử di động như pin iPod hoặc điện thoại di động”.

Các dụng cụ mới với công suất cao vừa nói chế tạo từ sợi nano chì zirconate titanate (PZT). PZT có điện áp áp điện cao và hằng số điện môi lớn – những tính chất lí tưởng cho sự biến đổi cơ năng thành điện năng. Không giống như các màng mỏng nguyên khối hoặc sợi micro, các sợi nano PZT đã qua quá trình xoay điện còn có tính linh hoạt cao và tính bền cơ học.

Đội của Shi chế tạo máy phát nano của họ bằng cách cho lắng các sợi nano PZT đã xoay điện lên trên một ma trận gồm các điện cực trên một chất nền silicon. Các sợi nano có đường kính chừng 60 nm và chúng được nhúng trong một ma trận polymer mềm (polydimethylsiloxane, PDMS). Dụng cụ hoàn chỉnh có thể lấy ra khỏi chất nền silicon hoặc chế tạo trên các chất nền dẻo, tùy thuộc vào loại ứng dụng mà người ta muốn có.

Khi tác dụng áp suất cơ lên mặt trên của cơ cấu, nó được truyền đến các sợi nano thông qua ma trận PDMS, gây ra sự tích điện do sức căng và uốn cong ở các sợi nano khi chúng di chuyển. Kết quả là một điện áp sinh ra giữa hai điện cực liền kề nhau.

Các nhà nghiên cứu cho biết, với một thể tích cho trước của máy phát nano, dụng cụ sợi nano này phát ra điện áp cao hơn và công suất lớn hơn các dụng cụ chế tạo từ các dây nano bán dẫn áp điện với cùng năng lượng vào. Trên lí thuyết, công suất cực đại phát ra từ một máy phát nano áp điện phụ thuộc vào các tính chất của chất liệu hoạt tính, cho nên hằng số điện áp áp điện của chất liệu giữa hai điện cực càng lớn, thì điện áp phát và công suất phát càng cao. Ngoài ra, việc thay đổi chiều dài của chất liệu hoạt tính giữa hai điện cực cũng sẽ làm thay đổi điện áp và dòng điện phát ra.

Arthur Ritter, giám đốc khoa kĩ thuật y sinh tại Stevens và không có liên quan trong nghiên cứu này, nói: “Một trong những hạn chế chính của các dụng cụ y sinh cấy ghép hoạt tính hiện nay là vấn đề cấp điện cho pin. Điều này có nghĩa là chúng phải được sạc lại hoặc thay thế đều đặn. Nhóm của Shi đã chứng minh một công nghệ sẽ cho phép các dụng cụ cấy ghép hồi phục một phần cơ năng trong dòng máu chảy hoặc chuyển động của chất lưu nhu động bên trong cơ thể để cấp điện cho các dụng cụ y sinh cấy ghép thông minh”.

Do công nghệ trên xây dựng trên các cấu trúc nano, nên nó có thể cấp điện cho các rô bôt nano trong dòng máu trong những khoảng thời gian kéo dài hơn. Những rô bôt như vậy có thể truyền dữ liệu chẩn đoán, lấy mẫu y sinh và/hoặc gửi những hình ảnh không dây thẳng đến một bộ cơ sở dữ liệu ngoài để phân tích.

Đội nghiên cứu hiện đang tìm cách tối ưu hóa cấu trúc của dụng cụ nano của họ và đơn giản hóa quá trình chế tạo.