Nhóm nhà khoa học MIT chế tạo một vật liệu mới, làm từ ống nano carbon nghiền nhỏ, có thể tạo ra điện bằng phương pháp thu hồi năng lượng từ môi trường chất lỏng xung quanh. Chất lỏng là một dung môi hữu cơ, hút các electron ra khỏi các hạt và tạo ra điện trường, được sử dụng để kích hoạt các phản ứng hóa học hoặc cung cấp năng lượng cho những robot kích thước vi mô hoặc nano.

 Hạt carbon siêu nhỏ được làm từ các ống nano cacbon nghiền nát (màu xanh lam), phủ một lớp polymer như Teflon (màu xanh lá cây). Ảnh: Jose-Luis Olivares, MIT.

Michael Strano, GS Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT cho biết, đây là cơ chế mới và phương thức tạo ra năng lượng hoàn toàn mới. Công nghệ này thực sự hấp dẫn do nguyên tắc đơn giản, nhúng các hạt carbon siêu nhỏ trong dung môi để tạo nên điện năng. Phương pháp mới được công bố trong một báo cáo khoa học, đăng trên tạp chí Nature Communications.

Trong một nghiên cứu mới mô tả hiện tượng này, các nhà cho thấy, có thể sử dụng dòng điện này thúc đẩy một phản ứng, được gọi là quá trình oxy hóa rượu, phản ứng hóa học hữu cơ quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất.

Strano là tác giả chính của báo cáo khoa học, đăng trên Tạp chí Nature Communications ngày 7/6/2021. Nhóm nghiên cứu bao gồm nghiên cứu sinh Albert Tianxiang Liu của MIT, cựu nhà nghiên cứu MIT Yuichiro Kunai. Các tác giả khác là cựu sinh viên tốt nghiệp Anton Cottrill, giảng viên Amir Kaplan và Hyunah Kim, nghiên cứu sinh Ge Zhang và các sinh viên tốt nghiệp MIT gần đây là Rafid Mollah và Yannick Eatmon.

Khám phá mới bắt nguồn từ nghiên cứu của GS Strano về ống nano carbon - những ống rỗng có cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử carbon với những đặc tính điện độc đáo. Năm 2010, GS Strano lần đầu tiên chứng minh được, các ống nano carbon có thể tạo ra “sóng nhiệt điện”. Khi một ống nano cacbon, phủ một lớp nhiên liệu, các xung nhiệt chuyển động hoặc sóng nhiệt điện truyền dọc theo ống tạo ra dòng điện.

Kết quả này giúp GS Strano và nhóm sinh viên của ông khám phá được một đặc điểm của ống nano carbon. Khi một phần ống nano được phủ một lớp polymer như Teflon sẽ tạo ra sự bất đối xứng khiến các electron chạy từ phần tráng polymer sang phần không tráng của ống tạo ra dòng điện. Những điện tử đó có thể được hút ra khi nhấn chìm các ống nano trong dung môi thiếu điện tử.

Để khai thác tính chất đặc biệt này, nhóm nghiên cứu chế tạo ra các mảnh sinh điện bằng cách nghiền nhỏ những ống nano carbon, tạo thành một mảnh vật liệu như giấy. Một mặt của mỗi miếng phủ một lớp polymer giống Teflon. Sau đó nhóm nghiên cứu cắt ra các hạt nhỏ, có hình dạng và kích thước bất kỳ. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học tạo thành các hạt có kích thước 250 micron x 250 micron.

Khi nhúng các hạt này trong dung môi hữu cơ như acetonitril, dung môi bám vào bề mặt không phủ của các mảnh và hút các điện tử ra khỏi các hạt ống nano carbon và hình thành điện trường.

Nghiên cứu này cho thấy một phương thức thông minh để khai thác năng lượng điện phổ biến, lưu trữ trong vật liệu điện tử để thực hiện các phản ứng điện hóa tổng hợp. Đây là phương pháp luận chung, dễ dàng mở rộng sang sử dụng các vật liệu khác và những ứng dụng khác nhau trong các hệ thống khác nhau.

Trong thử nghiệm, mỗi mảnh tạo ra khoảng 0,7 V, có thể tạo thành những mảng hàng trăm mạnh trong một ống nghiệm nhỏ. Lò phản ứng “giường đóng gói – packed bed” này tạo đủ năng lượng để cung cấp cho một phản ứng hóa học oxy hóa rượu, quá trình chuyển đổi rượu thành aldehyde hoặc xeton.

Do lò phản ứng “gường đóng gói” nhỏ gọn, linh hoạt hơn trong ứng dụng so với một lò phản ứng điện hóa lớn. Những mảnh có thể được tạo ra rất nhỏ và không cần nguồn điện bên ngoài thúc đẩy các phản ứng điện hóa.

GS Strano hiện đang nghiên cứu sử dụng loại năng lượng này để sản xuất các polymer chỉ sử dụng carbon dioxide làm nguyên liệu ban đầu. Trong tương lai, phương thức tiếp cận này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các rô bốt kích thước siêu nhỏ hoặc nano từ môi trường, ví dụ như trong y tế, các robot nano sinh học vận chuyển thuốc đến mục tiêu, sử dụng năng lượng điện từ môi trường chất lỏng trong cơ thể.