Khai thác nhiệt cơ thể để cung cấp năng lượng cho “hàng may mặc thông minh”
Tóm tắt: Các nhà hóa học vật liệu do Trisha Andrew dẫn đầu tại UMass Amherst đã phát triển một loại vải có thể thu nhiệt cơ thể để cung cấp năng lượng cho các mạch vi điện tử nhỏ có thể đeo được như máy theo dõi hoạt động. Họ đã sản xuất và đánh giá các dải dệt kim co giãn bằng vải thu nhiệt có thể tạo ra điện áp nhiệt lớn hơn 20 milliVolts khi đeo trên tay.
Hình 1: Băng vải thu nhiệt có thể tạo ra điện áp nhiệt
Nhà hóa học vật liệu Trisha Andrew tại Đại học Massachusetts Amherst đã nói: Nhiều nhà cảm biến sinh học, truyền dữ liệu và tiến bộ công nghệ tương tự để theo dõi sức khỏe cá nhân ngày nay đã được “thu nhỏ một cách sáng tạo” nhưng chúng đòi hỏi nhiều năng lượng và nguồn năng lượng có thể cồng kềnh và nặng nề. Tại thời điểm này bà và nghiên cứu sinh của mình là Linden Allison chỉ ra rằng họ đã phát triển một loại vải có thể thu nhiệt cơ thể để cung cấp năng lượng cho các vi điện tử nhỏ có thể đeo được như máy theo dõi hoạt động.
Ở bài viết đầu tiên đăng trên tạp chí trực tuyến Công nghệ vật liệu tiên tiến, Andrew và Allison giải thích rằng về lý thuyết, nhiệt độ cơ thể có thể tạo ra năng lượng bằng cách tận dụng sự khác biệt giữa nhiệt độ cơ thể và không khí mát xung quanh, hiệu ứng “nhiệt điện”. Các vật liệu có độ dẫn điện cao và độ dẫn nhiệt thấp có thể di chuyển điện tích từ vùng ấm sang vùng lạnh hơn theo cách này.
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng một lượng nhỏ năng lượng có thể được thu từ cơ thể con người trong một ngày làm việc tám giờ, nhưng các vật liệu đặc biệt cần thiết hiện nay là rất đắt tiền, độc hại hoặc không hiệu quả. Andrew đã nói rằng: “Những gì chúng tôi đã phát triển được là đưa màng polymer mềm dẻo, nhẹ, rẻ tiền, tương thích sinh học bằng vật liệu phổ biến lên vải cotton có đặc tính nhiệt điện đủ lớn để cung cấp điện áp nhiệt giúp tạo ra năng lượng cho một thiết bị nhỏ”.
Đối với công trình này, các nhà nghiên cứu đã tận dụng các ưu điểm của tính chất truyền nhiệt kém của len và bông để tạo ra quần áo nhiệt điện có thể duy trì gradient nhiệt trên một thiết bị điện tử gọi là pin nhiệt điện, chuyển đổi nhiệt thành năng lượng điện trong thời gian mặc dài liên tục. Điều này đã được theo dõi thực tế để đảm bảo rằng vật liệu dẫn điện sẽ ổn định về điện, cơ học và nhiệt theo thời gian.
Bà Andrew và Allison đã tóm tắt: “Về cơ bản, chúng tôi tận dụng tính chất cách điện của vải để giải quyết vấn đề tồn tại lâu dài trong các loại thiết bị. Chúng tôi tin rằng công việc này sẽ rất thú vị đối với các kỹ sư thiết bị, những người tìm cách khám phá các nguồn năng lượng mới cho các thiết bị điện tử có thể đeo được và các nhà thiết kế quan tâm đến việc tạo ra hàng may mặc thông minh.”
Cụ thể, họ đã tạo ra các loại vải dẫn nhiệt bằng cách đưa (in hơi) một loại polymer dẫn được gọi là p-doped poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT-Cl) lên trên một loại vải cotton dệt thoi mật độ trung bình và cao. Sau đó, họ đã tích hợp vải nhiệt điện này vào một dải có thiết kế đặc biệt có thể đeo được, tạo ra điện áp nhiệt lớn hơn 20 milliVolts khi đeo trên tay.
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra độ bền của lớp phủ PEDOT-CI bằng cách chà (ma sát) hoặc giặt vải tráng phủ trong nước ấm và đánh giá hiệu quả bằng cách chụp SEM, cho thấy lớp tráng phủ không bị nứt vỡ, tróc ra bởi quá trình giặt cơ học hay mài mòn. Điều này đảm bảo rằng độ bền cơ học của màng PEDOT-CI in hơi.
Họ đã đo độ dẫn điện bề mặt của các lớp tráng phủ bằng cách sử dụng đầu dò được chế tạo tùy chỉnh và thấy rằng vải bông dệt mật độ thấp hơn thể hiện độ dẫn điện cao hơn vật liệu dệt mật độ cao hơn. Độ dẫn điện của cả hai loại vải “hầu như không thay đổi sau khi ma sát và giặt”, họ nói thêm.
Sử dụng camera nhiệt, họ xác định rằng cổ tay, lòng bàn tay và cánh tay trên của người đeo thử tỏa ra nhiều nhiệt nhất, vì vậy Andrew và Allison đã sản xuất các dải vải dệt kim co giãn có thể đeo ở những khu vực này. Mặt ngoài tiếp xúc với không khí của dải được cách nhiệt với nhiệt độ cơ thể bởi độ dày của sợi, trong khi mặt trong tiếp xúc với da thì không tráng phủ để giảm nguy cơ dị ứng với PEDOT-CI.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mồ hôi làm tăng đáng kể sản lượng nhiệt điện của băng tay co giãn, điều này không đáng ngạc nhiên, vì bông ẩm được biết đến là chất dẫn nhiệt tốt hơn vải khô. Họ cũng có thể tắt truyền nhiệt theo ý muốn bằng cách chèn một lớp nhựa phản quang nhiệt giữa da và băng đeo.
Hai nhà khoa học này cho thấy rằng quá trình phản ứng tráng phủ hơi tạo ra vải nhiệt điện chắc chắn về cơ học với “các yếu tố năng lượng nhiệt điện cao đáng chú ý” ở chênh lệch nhiệt độ thấp so với các thiết bị được sản xuất truyền thống. Hơn nữa, họ đã thử nghiệm tốt nhất để tích hợp nhiệt tự nhiên vào quần áo, cho phép duy trì gradient nhiệt đáng kể trên vải nhiệt điện mặc dù mặc liên tục.”
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190122153849.htm?fbclid=IwAR1aSHahaPFK5lHN6hv3PVK7HL88nvTTziaFx3utrxKOMs0qBj_tFvfbVZU
Võ Thị Lan Hương