Khoảng năm 600 trước Công nguyên, Thales xứ Miletus – một nhà tư tưởng Hy Lạp cổ đại mà nhiều người coi là nhà khoa học đầu tiên của nhân loại – đã quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ khi ông cọ hổ phách (tiếng Hy Lạp là elektron) bằng lông thú: các vật nhẹ xung quanh bị hút về phía nó. Hiện tượng này ngày nay chúng ta gọi là tĩnh điện, nhưng về bản chất, đó là kết quả của một cơ chế vật lý mang tên hiệu ứng triboelectric (hiệu ứng ma sát điện).
Chính sự tò mò của Thales đã khiến hiện tượng ma sát điện trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu lâu đời nhất của khoa học. Và theo một cách nào đó, ông Simone Meloni, Đại học Ferrara (Italy), đang tiếp nối truyền thống lịch sử ấy. Là một nhà hóa học lý thuyết và vật lý vật chất ngưng tụ, tiến sĩ Meloni đã dành nhiều năm nghiên cứu các đặc tính cơ bản ở cấp độ nano của hiện tượng ma sát điện.
Cùng với các cộng sự, ông đã phát triển một phương pháp có thể tạo ra lượng điện năng thực tế, có thể sử dụng được từ quá trình tưởng chừng chỉ mang tính tò mò này. Trong một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nano Energy, ông Meloni cùng các nhà khoa học đến từ nhiều trường đại học và viện nghiên cứu châu Âu đã mô tả thiết bị máy phát điện nano triboelectric xâm nhập – đẩy ra (Intrusion–Extrusion TENG). Thiết bị này hoạt động bằng cách liên tục dùng áp lực để ép nước đi vào (xâm nhập) rồi bị đẩy ra khỏi các lỗ rỗng ở cấp độ nano.
Nghiên cứu này là một phần của dự án do Liên minh châu Âu tài trợ mang tên “Electro-Fusion”, với mục tiêu phát triển giảm xóc tái tạo năng lượng cho xe điện. Thông thường, hệ thống giảm xóc tiêu tán khoảng 5–10% năng lượng của một chiếc xe. Do đó, nếu có thể biến chuyển động ma sát liên tục này thành điện năng sử dụng được, hiệu suất của xe điện sẽ được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, TENG còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, từ thiết bị điện tử công suất thấp cho tới công nghệ đeo trên người.
Về nguyên lý, TENG hoạt động dựa trên chính cơ chế vật lý của hiệu ứng triboelectric: khi hai vật liệu cách điện tiếp xúc hoặc cọ xát vào nhau, chúng sẽ hình thành điện tích. Điều này xảy ra vì các vật liệu trao đổi ion (nguyên tử hoặc phân tử mang điện) hoặc electron. Khi chúng tách ra, sẽ xuất hiện sự chênh lệch điện thế.
Nếu đặt các vật dẫn điện – tức các điện cực – phía sau những vật liệu này và cho chúng tiếp xúc trở lại, quá trình đó sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều, loại dòng điện đang cung cấp năng lượng cho hầu hết thế giới hiện đại.
Nói một cách đơn giản, hệ thống này chuyển hóa năng lượng cơ học thành điện năng có thể sử dụng, theo lời ông Meloni.
“Lượng dòng điện xoay chiều tạo ra phụ thuộc vào khả năng trao đổi điện tích của vật liệu, mà điều này lại liên quan trực tiếp đến diện tích bề mặt sẵn có”, ông Meloni giải thích. Tính trên mỗi gram, các vật liệu xốp có diện tích bề mặt bên trong khổng lồ so với các bề mặt phẳng. “Một số vật liệu có diện tích bên trong lớn hơn cả một sân bóng đá, chỉ gói gọn trong một gram bột”, ông nói.
Trong nghiên cứu, nhóm của ông Meloni báo cáo hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 9%. Vật liệu sử dụng bao gồm một cấu trúc dẫn điện làm từ silicon xốp, được phủ một lớp silica cực mỏng đã được biến tính để trở nên kỵ nước. Sự biến tính này đảm bảo nước cuối cùng sẽ bị đẩy ra khỏi các lỗ rỗng, hoàn tất giai đoạn “đẩy ra” của chu trình. Phần silicon dẫn điện đóng vai trò là điện cực, chỉ cách khu vực xảy ra ma sát điện khoảng 1–2 nanomet.
Tuy nhiên, theo ông Meloni, chính các khiếm khuyết trong lớp phủ mới là yếu tố thực sự thúc đẩy hiện tượng ma sát điện.
“Các phân tử được gắn vào bề mặt silica có thể tách ra trong quá trình nước xâm nhập và gắn trở lại khi nước bị đẩy ra – chính những khiếm khuyết này khiến ma sát điện trở nên khả thi”, ông nói. “Nhưng chúng cũng tạo ra một sự cân bằng rất mong manh: nhiều khiếm khuyết hơn sẽ làm tăng điện tích bề mặt, song quá nhiều thì lại phá hủy tính kỵ nước”.
Dù hiểu biết của con người về điện đã tiến rất xa trong hơn hai thiên niên kỷ, ông Meloni thừa nhận rằng ngay cả những nghiên cứu hiện nay vẫn còn nhiều bí ẩn.
“Mặc dù đã được nghiên cứu suốt nhiều thế kỷ, nguyên nhân vi mô cốt lõi của hiện tượng ma sát điện vẫn chưa được hiểu đầy đủ”, ông nói. “Các nhà khoa học vẫn tranh luận về điều gì thực sự xảy ra khi hai bề mặt tiếp xúc, trượt qua nhau rồi tách ra, và liệu electron, ion hay một cơ chế nào khác được truyền đi”.
Ông Meloni cho biết hệ thống của nhóm hiện mới chỉ được tối ưu hóa một phần, và họ đang thử nghiệm nhiều vật liệu khác nhau cho cả ba thành phần chính của quy trình. Dù TENG vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, các nguyên mẫu giảm xóc tái tạo năng lượng đã bắt đầu được chế tạo.
Nói cách khác, một tương lai nơi điện năng được tạo ra chỉ từ sự cọ xát đơn giản đang dần trở thành hiện thực – và hành trình khám phá sức mạnh của điện, kéo dài hơn 2.600 năm, vẫn đang tiếp tục.
Theo PM
