Tấm film mỏng hút nhiệt cơ thể: Bước đột phá cho đồng hồ không cần pin
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Seoul vừa công bố một phát minh đáng chú ý: một thiết bị phát điện dạng phẳng và linh hoạt, hoạt động hoàn toàn dựa vào nhiệt độ cơ thể người. Điều này hứa hẹn mở ra hướng đi mới cho các thiết bị đeo thông minh, như đồng hồ, không cần đến pin hay sạc định kỳ, mang lại sự tiện lợi và bền vững hơn trong tương lai.
Vấn đề cốt lõi của thiết bị tạo điện nhiệt
Bộ tạo điện nhiệt (thermoelectric generator) hoạt động dựa trên nguyên lý khai thác chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt ấm và môi trường xung quanh mát hơn để sinh ra điện. Đây là một hướng tiếp cận đầy tiềm năng cho thiết bị đeo thông minh, bởi cơ thể người liên tục tỏa nhiệt ra ngoài, tạo nguồn năng lượng ổn định.
Tuy nhiên, khi chế tạo thiết bị dưới dạng màng mỏng, một vấn đề phát sinh: nhiệt từ cơ thể truyền thẳng từ dưới lên trên rồi tản ra không khí, tương tự như nhiệt đi xuyên qua một tờ giấy mỏng. Kết quả là không tạo ra được vùng nóng và vùng lạnh riêng biệt trên cùng một bề mặt, và vì vậy không có chênh lệch nhiệt độ đủ lớn để phát điện hiệu quả.
Trước đây, các kỹ sư thường xử lý vấn đề này bằng cách gấp vật liệu lại hoặc xây dựng cấu trúc dạng cột 3D. Dù những phương pháp này có tác dụng nhất định, chúng lại làm mất đi ưu điểm mềm dẻo và nhẹ của màng mỏng – những yếu tố quan trọng nhất đối với thiết bị đeo trên người, vốn cần sự thoải mái và linh hoạt.
Giải pháp: Buộc nhiệt chạy ngang thay vì chạy thẳng
Nhóm nghiên cứu của Đại học Quốc gia Seoul đã tìm ra một giải pháp sáng tạo để giữ nguyên cấu trúc phẳng nhưng vẫn tạo ra chênh lệch nhiệt độ cần thiết. Công trình này vừa được công bố trên tạp chí khoa học Science Advances, thu hút sự chú ý của giới công nghệ.
Thiết bị mới được gọi là "bộ tạo điện nhiệt ngang giả" (pseudo-transverse thermoelectric generator). Thay vì để nhiệt thoát thẳng lên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một lớp nền silicon co giãn được, trong đó các hạt nano đồng có khả năng dẫn nhiệt chỉ được nhúng vào những vùng cụ thể. Điều này buộc nhiệt phải lan theo chiều ngang dọc theo vật liệu, từ đó tạo ra các vùng nóng và lạnh nằm cạnh nhau ngay trên cùng một bề mặt phẳng.
Hiệu ứng này bắt chước một hiện tượng vật lý phức tạp khi dòng nhiệt và dòng điện di chuyển vuông góc nhau, đạt được gradient nhiệt độ hữu ích chỉ thông qua thiết kế cấu trúc. Đây là một bước tiến quan trọng, giúp duy trì tính linh hoạt và nhẹ của thiết bị mà vẫn đảm bảo hiệu suất phát điện cao.
Sản xuất đơn giản, dễ mở rộng quy mô
Toàn bộ thiết bị được chế tạo bằng quy trình in mực, một phương pháp sản xuất đơn giản và hiệu quả. Điều này không chỉ giúp sản phẩm giữ được độ linh hoạt cao mà còn cho phép sản xuất ở quy mô lớn với chi phí hợp lý. Các thành phần có thể lắp ghép theo kiểu mô-đun, giống như các khối xếp hình, để phù hợp với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, từ đồng hồ đeo tay đến các thiết bị y tế theo dõi sức khỏe.
Đây được xem là nền tảng mở đường cho thế hệ thiết bị đeo thông minh tự cấp điện, áp sát da người một cách thoải mái mà không cần đến pin hay bộ sạc ngoài. Với khả năng tận dụng nhiệt cơ thể, công nghệ này hứa hẹn giảm thiểu rác thải điện tử và tăng cường tính bền vững trong ngành công nghệ đeo.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu kỳ vọng sẽ tiếp tục cải tiến hiệu suất và ứng dụng rộng rãi hơn, mang lại những sản phẩm thiết thực cho người dùng. Sự phát triển này không chỉ là một bước nhảy vọt về mặt kỹ thuật mà còn góp phần thúc đẩy xu hướng sống xanh và tiết kiệm năng lượng trên toàn cầu.
