Các nhà nghiên cứu khoa học của trường Đại học Bath đã tạo ra sợi nylon có khả năng phát điện
Ảnh của Katharina Maisenbacher, Học viện Max Planck.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Bath, Viện Nghiên cứu Polyme Max Planck (MPI-P) và Đại học Coimbra đã sản xuất sợi nylon tạo ra điện từ cử động cơ thể đơn giản, mở ra một phương pháp sản xuất quần áo thông minh theo dõi sức khỏe thông qua các cảm biến thu nhỏ và khả năng sạc các thiết bị mà không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào. Khám phá này dựa trên công trình nghiên cứu các sợi nylon áp điện được xử lý bằng dung dịch do Giáo sư Kamal Asadi, cựu trưởng nhóm tại MPI-P và hiện là giáo sư khoa vật lý tại Bath và cựu nghiên cứu sinh Saleem Anwar của ông đứng đầu.
Áp điện là hiện tượng cơ năng được biến đổi thành điện năng. Khi một người chạm vào hoặc làm biến dạng vật liệu áp điện, nó sẽ tạo ra điện tích. Nếu thêm vào một mạch điện để lưu trữ điện tích như một tụ điện và sau đó sử dụng nguồn điện đó – ví dụ như để cấp nguồn cho điện thoại di động.
Khi mặc quần áo áp điện, ví dụ như một chiếc áo sơ mi, ngay cả một chuyển động đơn giản như vung tay của người mặc cũng có thể khiến các sợi của áo bị biến đổi đủ để tạo ra điện.
Ông Asadi cho biết: “Ngày càng có nhiều nhu cầu về hàng dệt điện tử, thông minh nhưng việc tìm kiếm các loại sợi nguyên liệu điện tử rẻ và sẵn cóphù hợp với hàng may mặc hiện đại là một thách thức đối với ngành dệt may. Vật liệu áp điện là những ứng cử viên tốt để thu năng lượng từ các rung động cơ học, chẳng hạn như chuyển động của cơ thể, nhưng hầu hết các vật liệu này đều chứa chì, chúngkhông phù hợp để tích hợp trong các thiết bị điện tử cầm tay hoặc trong quần áo”.
Các nhà khoa học đã biết đến tính chất áp điện của nylon từ những năm 1980, thực tế vật liệu này không chứa chì và không độc hại đã khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn. Tuy nhiên, loại vải mềm mịn, nhân tạo thường được kết hợp với áo phông và tất của phụ nữ là “chất liệu rất khó xử lý”, ông Asadi nói.
Ông nói: “Khó khăn nhất là chuẩn bị sợi nylon có thể giữ được tính chất áp điện của chúng”.
Ở dạng polyme thô của nó, nylon là một loại bột trắng có thể được pha trộn với các vật liệu khác (tự nhiên hoặc nhân tạo) và sau đó được đúc thành vô số sản phẩm, từ quần áo và lông bàn chải đánh răng đến bao bì thực phẩm và phụ tùng xe hơi. Khi nylon bị khử thành một dạng tinh thể cụ thể, nó sẽ trở thành chất liệu áp điện. Phương pháp được thiết lập để tạo ra những tinh thể nylon này là làm tan chảy, làm nguội nhanh chóng và sau đó kéo căng . Tuy nhiên, quá trình này tạo ra các tấm dày (được gọi là ‘màng’) có tính áp điện nhưng không phù hợp với quần áo. Nilon sẽ cần được kéo căng thành sợi để dệt thành quần áo, hoặc thành một màng mỏng để sử dụng trong các thiết bị điện tử. Thách thức của việc sản xuất màng nylon áp điện mỏng được cho là không thể vượt qua, dẫn đến việc nghiên cứu trong lĩnh vực này hầu như bị dừng lại vào những năm 1990.
Từ ý tưởng này, Asadi và Anwar – kỹ sư dệt may – đã tiếp cận một cách hoàn toàn mới để sản xuất màng mỏng nylon áp điện. Họ đã hòa tan bột nylon trong dung môi axit thay vì làm tan chảy nó. Tuy nhiên, họ phát hiện ra rằng màng thành phẩm chứa các phân tử dung môi bị khóa bên trong vật liệu, do đó ngăn cản sự hình thành pha áp điện.
Asadi – người bắt đầu nghiên cứu này tại Viện Nghiên cứu Polymer Max Planck ở Đức trước khi chuyển đến Bath vào tháng 9, cho biết“chúng tôi cần tìm cách loại bỏ axit để làm cho nylon có thể sử dụng được”.
Tình cờ, họ phát hiện ra rằng bằng cách trộn dung dịch axit với axeton (chất pha loãng sơn hoặc chất tẩy sơn móng tay), họ có thể hòa tan nylon và sau đó chiết xuất axit một cách hiệu quả, để lại màng nylon trong pha áp điện.
“Axeton liên kết rất mạnh với các phân tử axit, vì vậy khi axeton bay hơi khỏi dung dịch nylon, nó sẽ mang theo axit. Những gì bạn còn lại là nylon trong pha tinh thể áp điện của nó. Bước tiếp theo là biến nylon thành sợi và sau đó tích hợp nó vào vải ”, nhà khoa học cho biết.
Phát triển sợi áp điện là một bước tiến quan trọng để có thể sản xuất hàng dệt điện tử với các ứng dụng rõ ràng trong lĩnh vực thiết bị điện tử mặc được trên người. Mục đích là tích hợp các phần tử điện tử, chẳng hạn như cảm biến, trong một loại vải và tạo ra nguồn điện khi người mặc di chuyển. Rất có thể, điện năng thu được từ các sợi của quần áo áp điện sẽ được lưu trữ trong một cục pin đặt trong túi. Sau đó, pin này sẽ kết nối với thiết bị qua cáp hoặc không dây.
Ông Asadi nói: “Trong những năm tới, chúng tôi có thể sử dụng áo phông của mình để cung cấp năng lượng cho một thiết bị như điện thoại di động khi chúng tôi đi bộ trong rừng hoặc để theo dõi sức khỏe của mình.
Người dịch: Nguyễn Thị Hồng Liên