Các nhà nghiên cứu tại Đại học Boston và Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã sử dụng công nghệ nano để đạt được những cải thiện lớn về khả năng tăng hiệu suất nhiệt điện, đây là cột mốc mở đường cho một thế hệ các sản phẩm mới – từ các thiết bị bán dẫn, máy điều hòa không khí, hệ thống ống xả trên ô tô cũng như các công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời – giúp vận hành sạch hơn.

Mặt cắt ngang của kết tinh dạng xiên của các hạt Bi – Sb - Te với kích thước nano trong hỗn hợp hợp kim, được nhìn dưới kính hiển vi điện tử. Các mảng màu sáng đặc trưng cho mỗi loại hạt trong hỗn hợp chất bán dẫn. Nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Boston và MIT bằng việc sử dụng công nghệ nano để tạo ra những cấu trúc vật liệu mới đã đem đến bước cải thiện lớn về khả năng tăng hiệu suất nhiệt điện. (Ảnh: Boston College, MIT, và GMZ Inc)

Nhóm nghiên cứu sử dụng hướng tiếp cận với chi phí giá rẻ, giải trình chi tiết được xuất bản trực tuyến trên trang mạng của Tạp chí Khoa học, bao hàm việc xây dựng các cấu trúc nano được tạo thành từ hỗn hợp các hợp kim với kích thước rất nhỏ, để có thể đáp ứng được trong những máy làm lạnh vi mô & các máy phát điện. Các nhà nghiên cứu cho biết, ngoài việc chi phí để sản xuất vật liệu này rất rẻ thì phương pháp của họ sẽ đem lại những thành quả thiết thực, trong ngắn hạn có thể được ứng dụng trong những sản phẩm tiêu thụ ít năng lượng hoặc tận dụng được những nguồn năng lượng lãng phí do quá trình vận hành các hệ thống máy móc thải ra mà không được tái sử dụng.

Những thành quả đã đạt được tiêu biểu cho một cột mốc đầy ấn tượng trong quá trình tìm kiếm những bước cải thiện hiệu năng trong ngành sản xuất nhiệt điện, bởi điều này vừa dụ dỗ vừa làm nản lòng không biết bao nhiêu nhà khoa học từ khi khám phá ra nhiệt điện vào thế kỷ 19 đến nay. Điều này hàm ý chắc chắn đến những nguyên liệu có thể biến đổi nhiệt năng thành điện năng và ngược lại. Nhưng họ đã vấp phải bế tắc then chốt khi cố gắng nâng cao hiệu quả: phần lớn các vật chất vừa dẫn điện lại vừa dẫn nhiệt nên nhiệt độ giữa chúng được cân bằng rất nhanh chóng. Để cải thiện được hiệu suất, các nhà khoa học đã cố kiếm cho được những vật liệu mà có thể dẫn điện nhưng không tương ứng về khả năng dẫn nhiệt.

Ứng dụng công nghệ nano, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm BC và MIT đã thu được thành quả lớn trong khả năng tăng hiệu suất nhiệt điện của hợp chất bán dẫn với thành phần cơ bản là nguyên tố Tellurium (Te) và hai phi kim khác là Bismuth (Bi) và antimony (Sb)^[i] - ở dạng khối lớn – một hỗn hợp hợp kim bán dẫn được dùng trong thương mại rất phổ biến từ những năm 1950. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã làm tăng thêm hệ số công ích (figure of merit: còn được gọi là hệ số chất lượng, chỉ số phẩm chất) được 40% trong dạng hợp kim này, đây là một giới hạn hiệu suất của vật liệu mà các nhà khoa học có thể đo lường được.

Module mạch khép kín dạng đơn giản được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Boston và MIT nhằm chứng thực cách mà một hợp kim chất bán dẫn được thiết kế lại trong một khối lớn, đạt được những cải thiện quan trọng về hiệu suất. Vật liệu này đóng vai trò cột mốc trong lĩnh vực nghiên cứu nhiệt điện, mang lại rất nhiều ứng dụng trong các sản phẩm sinh hoạt hàng ngày, từ những thiết bị bán dẫn đến máy điều hòa không khí, hệ thống ống xả xe ô tô hay công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời – giúp chúng vận hành sạch hơn. (Ảnh: Science/AAAS)

Thành tựu này đánh dấu bước tăng tốc quan trọng trong nửa thế kỷ ứng dụng những lợi ích của chất bán dẫn, đó là khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lên tới 250 độ C. Đây là bước tiến thành công khi sử dụng hợp kim tương đối rẻ và thân thiện với môi trường, dưới dạng các khối lớn, hàm nghĩa khám phá này có thể nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong phạm vi lớn, ảnh hưởng mạnh mẽ lên các thiết bị làm mát & tiêu thụ điện nói chung.

“Sử dụng công nghệ nano, chúng tôi đã tìm ra cách để cải tạo vật liệu cũ bằng cách làm tan rã chúng và xây dựng lại chúng trong một hỗn hợp các cấu trúc nano ở dạng khối lớn”, Zhifeubf Ren – nhà khoa học vật lý tại Đại học Boston & là một trong những người dẫn dắt dự án cho biết. “Phương pháp này chi phí thấp và có thể ứng dụng phổ biến trong các sản phẩm sản xuất hàng loạt. Đây là một cơ hội đầy kích thích để tận dụng hiệu suất của các nguyên liệu nhiệt điện để mang lại lợi nhuận tối đa”.

“Các vật liệu sản sinh ra điện đã được dùng trong rất nhiều ứng dụng, nhưng loại vật liệu tốt hơn này có thể mang đến những tác động lớn hơn rất nhiều”, Gang Chen, Warren và Towneley Rohsenow – các giáo sư tại Khoa cơ khí thuộc MIT & đồng thời là những người dẫn dắt dự án cho biết.

Bài toán “nóng và lạnh” của nhiệt điện là vấn đề trong tâm mà các nhà vật lý đang cố gắng giải quyết. Thí dụ, đốt nóng điểm cuối của dây kim loại, sẽ gây ra quá trình chuyển dịch của các hạt điện tử [electron] tới đầu lạnh hơn, tức sinh ra dòng điện. Ngược lại, cung cấp một dòng điện tương tự như vậy trong dây kim loại sẽ dẫn đến nhiệt sinh ra từ các khu vực nóng lan sang những khu vực lạnh. Phonon, một kiểu rung động lượng tử đóng vai trò chìa khóa bởi đó là nguyên lý cơ bản trong sự truyền dẫn nhiệt ở các chất rắn không dẫn điện.

Hợp kim bán dẫn Bi – Sb - Te là một vật liệu được dùng phổ biến trong các sản phẩm sinh ra điện từ nhiệt, các nhà nghiên cứu nghiền nát chúng thành các hạt bụi ở cấp độ phân tử (nanocopic dust) và thiết lập lại chúng trong các khối lớn, hợp thành những lớp vảy nano. Các cấu trúc xiên cá và sắp xếp không theo quy luật của hợp kim được thiết lập lại này sẽ làm giảm đột ngột trạng thái chuyển động của các phonon trong vật liệu, làm biến đổi triệt để hiệu suất sinh ra điện bởi sự tắc ngẽn các dòng nhiệt năng trong khi cho phép dòng điện chuyển dịch.

Ngoài Ren còn có 6 nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm BC, nhóm nghiên cứu quốc tế này gồm các nhà nghiên cứu thuộc MIT: Chen; Mildred S. Dresselhaus - giảng viên kỹ thuật; Bed Poudel - nhà khoa học nghiên cứu tại Hãng năng lượng GMZ Inc; Junming Liu, nhà vật lý thuộc Đại học Nam Ninh – Trung Quốc.

Các nguyên liệu sản sinh ra điện bằng sự chênh lệch nhiệt độ đã được NASA sử dụng để sinh ra năng lượng cho các tàu vũ trụ trong những hành trình vào không gian rất xa ngoài trái đất. Nguyên liệu này cũng được sử dụng trong các ghế ngồi đặc biệt trong ô tô, giúp lái xe cảm thấy mát mẻ trong mùa hè. Ngành công nghiệp ô tô đã thử nghiệm nhiều phương pháp sử dụng các nguyên liệu nhiệt điện để chuyển đổi nhiệt thải ra từ các hệ thống xả của xe ô tô thành dòng điện hữu ích.