Sợi nano cho các thiết bị điện tử mặc trên người

Thiết bị điện tử mặc trên người để theo dõi sức khỏe và thể lực là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử tiêu dùng; một trong những hạn chế lớn nhất của chúng là công suất của những chiếc pin nhỏ bé của chúng để cung cấp đủ năng lượng cho truyền tải dữ liệu. Mới đây, các nhà nghiên cứu tại MIT và Canada đã tìm ra một phương pháp mới đầy hứa hẹn để cung cấp những bùng phát năng lượng ngắn nhưng mạnh mẽ cần cho các thiết bị nhỏ như vậy.

Sợi làm từ dây nano niobi, ảnh từ kính hiển vi điện tử quét, có thể được sử dụng để làm các siêu tụ điện rất hiệu quả. Bổ sung một lớp phủ polymer dẫn điện cho sợi (màu hồng trong ảnh nhỏ) làm tăng thêm khả năng tích điện của tụ. Các ion dương và âm trong vật liệu được mô tả là hình cầu màu xanh và đỏ

Mấu chốt là cách tiếp cận mới để chế tạo các siêu tụ điện - các thiết bị có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng điện trong các đợt bùng phát như vậy, cần cho việc truyền dữ liệu ngắn gọn từ các thiết bị mang trên người như màn hình đo nhịp tim, máy tính, hay điện thoại thông minh, các nhà nghiên cho biết. Chúng cũng có thể hữu ích cho các ứng dụng khá cần năng lượng cao trong một không gian nhỏ, chẳng hạn như microrobot tự chủ.

Phương pháp mới này sử dụng sợi, được làm từ dây nano của nguyên tố niobium, làm các điện cực trong các siêu tụ điện nhỏ (chủ yếu là các cặp sợi dẫn điện với chất cách điện ở giữa). Khái niệm này được mô tả trong một bài báo trên tạp chí ACS Vật liệu và Giao diện Ứng dụng bởi giáo sư cơ khí chế tạo của MIT, Ian W. Hunter, nghiên cứu sinh tiến sĩ Seyed M. Mirvakili, và những người khác tại Đại học British Columbia.

Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu công nghệ nano đã tìm cách tăng hiệu suất của siêu tụ. Trong số các vật liệu nano, các hạt nano dựa trên carbon - như các ống nano carbon và graphene đã cho các kết quả đầy hứa hẹn, nhưng chúng dẫn điện vẫn tương đối thấp, Mirvakili nói.

Trong nghiên cứu mới này, ông và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng các đặc tính mong muốn cho các thiết bị như vậy, chẳng hạn như mật độ năng lượng cao, không chỉ có ở các hạt nano carbon, và sợi dây nano niobi là một sự thay thế đầy hứa hẹn.

"Hãy hình dung bạn đã có một loại hệ thống theo dõi sức khỏe mang trên người", Hunter nói, "và nó cần truyền dữ liệu, ví dụ dùng Wi-Fi, qua khoảng cách xa". Tại thời điểm này, các loại pin to bằng đồng xu được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử nhỏ có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp nhiều năng lượng cùng một lúc, điều cần cho truyền dữ liệu.

"Wi-Fi đường dài có thể đòi hỏi dung lượng điện hợp lý trong thời gian ngắn", GS Hunter nói. Các pin nhỏ thường ít phù hợp cho nhu cầu năng lượng như vậy, ông cho biết thêm.

"Đó là một vấn đề mà nhiều công ty gặp phải trong phát triển thiết bị giám sát sức khỏe. Vì vậy, sự kết hợp của một pin và một tụ điện là một giải pháp", Hunter nói: pin cung cấp các chức năng tiêu thụ điện thấp, dài hạn, còn tụ điện cung cấp những đợt phát điện mạnh, thời gian ngắn. Một sự kết hợp như vậy sẽ có thể hoặc khả năng hoạt động, hoặc - có lẽ quan trọng hơn trên thị trường - làm giảm đáng kể kích thước yêu cầu.

Siêu tụ dựa trên dây nano mới có hiệu suất hoạt động vượt trội pin hiện tại, trong khi chiếm không gian rất nhỏ.

Niobi là một vật liệu khá dồi dào và được sử dụng rộng rãi, Mirvakili nói, như vậy toàn bộ hệ thống sẽ không đắt và dễ sản xuất. Các nhóm nghiên cứu khác đã làm các siêu tụ điện tương tự bằng cách sử dụng ống nano carbon hoặc các vật liệu khác, nhưng sợi niobi khỏe hơn và dẫn điện tốt hơn 100 lần. Nhìn chung, siêu tụ điện dựa trên niobi có thể lưu trữ điện năng gấp 5 lần so với bằng ống nano carbon trong một không gian.

Niobi cũng có điểm nóng chảy rất cao - gần 2.500 độ C - vì vậy các thiết bị làm từ dây nano này có thể phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Ngoài ra, vật liệu này là rất mềm dẻo và có thể dệt thành vải, cho phép mặc được vào người; một dây nano niobi đơn chỉ có đường kính 140 nanomet.

Cho đến nay, vật liệu này mới chỉ được sản xuất trong các thiết bị quy mô phòng thí nghiệm. Bước tiếp theo là tìm cách làm thế nào để thiết kế một phiên bản thực tế, dễ sản xuất, các nhà nghiên cứu nói.

Theo Vista.gov.vn