Tre, loại cây phát triển nhanh nhất thế giới nhờ màng dẫn nước bên trong có cấu trúc đặc biệt. Lớp màng này trở thành ý tưởng tiên tiến cho nhóm nghiên cứu QUT phát triển những điện cực hiệu quả, cho phép pin có thể sạc với tốc độ nhanh hơn nhiều lần.
Giáo sư Ziqi Sun, chuyên sâu nghiên cứu phát triển các giải pháp năng lượng bền vững từ những cấu trúc tự nhiên có được ý tưởng phát triến dự án mới khi đi ngang qua một khóm tre ở Vườn bách thảo thành phố Brisbane.
GS Sun và nhóm các nhà khoa học, Tiến sĩ Jun Mei của QUT, GS Xiaomin Peng, TS Qian Zhang, Xiaoqi Zhang và GS Ting Liao đã đồng xuất bản công trình nghiên cứu về ứng dụng cấu trúc màng sinh học nhiều lớp trong thân tre cho các điện cực pin trên tạp chí Vật liệu Chức năng Tiên tiến.
Phát biểu về ý tưởng này, GS Sun cho biết, lớp màng dày bằng một tờ giấy mỏng này cho phép vận chuyển nước và dinh dưỡng cực nhanh theo thân cây, khiến tre có thể phát triển với tốc độ khoảng 40 mm một giờ.
Lớp màng tre được tạo thành từ nhiều lớp. Các lớp được đóng gói rất sát nhau ở phía gần nhất vòng trong ống đốt tre, xa cách hơn hướng tâm cây tre. Một đặc điểm nữa là các lớp có cấu trúc xốp trên bề mặt bên trong. GS Sun đặt vấn đề: "Tại sao tre lại có màng này?Màng phải có những chức năng cụ thể."
Cấu trúc độc đáo và chức năng của màng tre được các nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu. TS Mei nói: “Màng là thành phần quan trọng nhất trong những thiết bị lưu trữ năng lượng, sẽ là một bước đột phá có được một ứng viên vật liệu tiềm năng cho lưu trữ năng lượng hiệu suất cáo, nếu học hỏi từ tự nhiên cấu trúc màng tre và những chức năng cụ thể”.
Qua nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện được, cấu trúc màng tre với nhiều lớp đan xen cho phép nước và chất điện giải di chuyển trong thân tre theo hai cách. Cấu trúc phân lớp bên trong, khoảng cách rất sát, cho phép chất lỏng và chất điện phân di chuyển “siêu lỏng”, có nghĩa là chất lỏng di chuyển rất nhanh trong cây tre. Lớp bên ngoài, với nhiều khoảng trống hơn giữa các lớp, cho phép chất lỏng phân tán nhanh hơn qua cấu trúc màng. Đó là lý do vì sao trong các ống tre luôn có nước.
Ứng dụng của Tre vào Pin điện hiệu suất cao.
Dự án nghiên cứu được phát triển trên cơ sở kết quả công trình trước đây về hiệu quả của vật liệu nano hai chiều, là vật liệu siêu mỏng cho sự vận chuyển cực nhanh các ion qua pin.
GS Sun cho biết: “ Từ lớp màng mỏng trẻ, thiên nhiên dạy chúng ta phương pháp thiết kế những loại vật liệu hai chiều và giải pháp phân bố đa tầng không gian, ứng dụng hiệu quả cho những loại pin hiệu suất cao.
Trên cơ sở cấu trúc màng tre, nhóm nghiên cứu chế tạo một lớp màng mô phỏng cấu trúc tự nhiên, sử dụng các lớp “tấm nano” coban oxit và graphene, mỏng hơn tóc người khoảng 100.000 lần.
Cấu trúc màng của cây tre dưới kính hiển vi điện tử (d,e,g,h) và thiết kế màng sinh học cho pin Lithium-Ion.
Nhóm nghiên cứu mô phỏng cấu trúc lớp của màng tre, áp dụng lực hút vào một mặt của các tấm nano. Những lớp gần bề mặt điện cực được ép chặt lại với khoảng cách nhỏ hơn 5 nm có lực hút cao, những lớp bên ngoài xếp lên nhau, khoảng cách lên đến 2200 nm với lực hút yếu khi các lớp hình thành. Nanometer là một phần tỷ của mét.
Màng sinh học được chế tạo có hình tròn 50 mm, dày hàng chục micromet (một micromet bằng 0,001 mm) tạo thành từ hàng nghìn lớp, được kiểm tra khả năng vận chuyển các ion bằng cách đặt vào pin lithium-ion. Kết quả cho thấy, màng sinh học hoạt động vượt trội hơn các vật liệu khác thường được sử dụng cho các điện cực trong pin.
Các nhà khoa học cũng thử nghiệm khả năng thấm ướt của màng, đó là khả năng chất lỏng duy trì sự tiếp xúc với bề mặt rắn. Thí nghiệm cho thấy, các màng sinh học có một hành vi siêu thấm đối với chất điện phân hữu cơ, không có rào cản nào cho sự tiếp xúc và xâm nhập của chất điện phân từ bề mặt bên ngoài vào màng bên trong.
“Công trình Nghiên cứu đặt ra một nguyên tắc mới trong thiết kế các vật liệu năng lượng hiệu suất cao,” Giáo sư Sun nhấn mạnh. "Quan trọng nhất, kết quả tạo ra tiền đề cho sự phát triển vật liệu trong tương lai bằng phương pháp, học hỏi từ sự vĩ đại của thiên nhiên."