Jessica Owen báo cáo. Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp tạo ra điện từ nylon, làm dấy lên hy vọng rằng quần áo đang mặc trên người chúng ta sẽ trở thành nguồn năng lượng quan trọng.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương pháp sản xuất sợi nylon thông minh để tạo ra điện từ những chuyển động đơn giản của cơ thể, mở đường cho quần áo thông minh sẽ theo dõi sức khỏe của chúng ta thông qua các cảm biến thu nhỏ và tự sạc các thiết bị của chúng mà không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào.

Đại học Bath, Viện Max Planck về Nghiên cứu Polyme (MPI-P) ở Đức đã hợp tác với Đại học Coimbra ở Bồ Đào Nha để thực hiện nghiên cứu này. Dựa trên công trình đột phá về các nylon áp điện được xử lý theo phương pháp của Giáo sư Kamal Asadi, cựu lãnh đạo nhóm tại MPI-P và hiện là Giáo sư Khoa Vật lý tại Bath cựu nghiên cứu sinh Saleem Anwar.

Khi dệt thành quần áo, các sợi điện áp sẽ biến đổi cơ năng thành điện năng mỗi khi người di chuyển. Ảnh cung cấp bởi: Katharina Maisenbacher, Viện Max Planck

Điện áp mô tả hiện tượng cơ năng được biến đổi thành điện năng. Nói một cách đơn giản, khi bạn chạm vào hoặc tác động vào vật liệu điện áp, nó sẽ tạo ra một điện tích. Khi tạo thành mạch điện, điện tích được di chuyển đến lưu trữ trong một tụ điện để sử dụng – ví dụ: để cấp nguồn cho điện thoại di động của bạn.

Khi mặc quần áo điện áp, như áo sơ mi, ngay cả một cử động đơn giản như vung tay cũng có thể khiến các sợi của áo bị biến dạng đủ để tạo ra điện.

Ông Asadi nói: “Ngày càng có nhiều nhu cầu về hàng dệt điện tử, thông minh, nhưng việc tìm kiếm các loại sợi nguyên liệu điện tử rẻ và sẵn có phù hợp với hàng may mặc hiện đại là một thách thức đối với ngành dệt may”.

“Vật liệu điện áp là nguồn nguyên liệu tốt để thu năng lượng từ các rung động cơ học, chẳng hạn như chuyển động của cơ thể, nhưng hầu hết các vật liệu này là gốm và có chứa chì, là chất độc hại và làm cho việc tích hợp chúng trong thiết bị điện tử đeo hoặc quần áo gặp khó khăn”.

Theo ông Asadi: Các nhà khoa học đã biết đến tính chất điện áp của nylon từ những năm 1980, và thực tế là vật liệu này không chứa chì và không độc hại đã khiến nó được chú ý đặc biệt. Tuy nhiên, loại vải mềm mịn, nhân tạo thường được sử dụng kết hợp trong các sản phẩm rẻ tiền như áo phông và tất chân phụ nữ là ‘chất liệu rất khó xử lý’.

Ông giải thích: “Khó khăn là để sợi nylon giữ được tính chất điện áp của chúng.

Ở dạng polyme thô, nylon là một loại bột trắng có thể được trộn với các vật liệu khác (tự nhiên hoặc nhân tạo) và sau đó được sản xuất thành nhiều loại sản phẩm, từ quần áo và lông bàn chải đánh răng đến bao bì thực phẩm và phụ tùng xe hơi. Khi nylon bị khử thành một dạng tinh thể đặc biệt, nó sẽ trở thành điện áp. Phương pháp để tạo ra các tinh thể nylon này là làm nóng chảy, làm nguội nhanh và sau đó kéo dài nylon. Tuy nhiên, quá trình này tạo ra các tấm dày (được gọi là màng) có tính điện áp nhưng không phù hợp với quần áo. Nylon sẽ cần được kéo giãn thành sợi để dệt thành quần áo, hoặc thành một màng mỏng để sử dụng trong các thiết bị điện tử đeo.

Khó khăn của việc sản xuất màng nylon điện áp mỏng được cho là không khả thi và quyết tâm trong việc tạo ra các sản phẩm may mặc bằng nylon điện áp đã không được quan tâm, làm cho việc nghiên cứu trong lĩnh vực này hầu như bị dừng lại vào những năm 1990.

Theo ý tưởng của Asadi và Anwar (một kỹ sư dệt may) đã tiếp cận một cách hoàn toàn mới để sản xuất màng mỏng nylon điện áp. Họ đã hòa tan bột nylon trong dung môi axit thay vì làm nóng chảy nó. Tuy nhiên, họ phát hiện ra rằng màng thành phẩm chứa các phân tử dung môi bị trơ bên trong vật liệu, do đó ngăn cản sự hình thành pha điện áp.

Asadi, người bắt đầu nghiên cứu này tại Viện Nghiên cứu Polymer Max Planck ở Đức cho biết: “Chúng tôi cần tìm cách loại bỏ axit để làm cho nylon có thể sử dụng được”.

Tình cờ, cặp đôi phát hiện ra rằng bằng cách trộn dung dịch axit với axeton (một hóa chất được biết đến nhiều nhất là chất pha loãng sơn hoặc chất tẩy sơn móng tay), họ có thể hòa tan nylon và sau đó tách axit một cách dễ dàng, để lại màng nylon ở dạng điện áp.

“Axeton liên kết rất mạnh với các phân tử axit, vì vậy khi axeton bay hơi khỏi dung dịch nylon, nó sẽ mang theo axit. Còn lại là nylon tinh thể áp điện. Bước tiếp theo là biến nylon thành sợi và sau đó tích hợp vào vải ”.

Phát triển sợi điện áp là một bước tiến quan trọng để có thể sản xuất hàng dệt điện tử với các ứng dụng chính xác trong lĩnh vực điện tử đeo. Mục tiêu là tích hợp các yếu tố điện tử, chẳng hạn như cảm biến, trong một loại vải và để tạo ra điện khi chúng ta đang di chuyển. Rất có thể, điện năng thu được từ các sợi của quần áo điện áp sẽ được lưu trữ trong một cục pin đặt trong túi. Sau đó, pin này sẽ kết nối với thiết bị qua cáp hoặc không dây.

Asadi nói: “Trong những năm tới, chúng tôi có thể sử dụng áo phông của mình để cung cấp năng lượng cho một thiết bị như điện thoại di động khi chúng tôi đi bộ trong rừng hoặc để theo dõi sức khỏe của mình”.

Nhưng để thực hiện được điều này có thể có một số khó khăn trong phương pháp sản xuất điện. Hiện tại, sản lượng điện từ các thiết bị rất nhỏ chỉ trong khoảng μW trên cm khối.  Asadi cho biết “Để sạc một chiếc điện thoại bằng điện áp đó một người sẽ cần một quãng đường đi bộ khá dài”. Điều này cho thấy rằng có nhiều khả năng để cải thiện, vì vậy nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc nâng cao hơn nữa hiệu suất của sợi.

Một trở ngại khác là khả năng mở rộng quy mô sản xuất. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang sử dụng kỹ thuật kéo sợi sử dụng lực tĩnh điện, liên quan đến việc sử dụng dung môi để chuẩn bị sợi. Theo ông Asadi, định hướng trong tương lai sẽ là nghiên cứu các phương pháp khác để có thể tạo ra các sợi điện áp.

Mặc dù vậy, ưu điểm của phương pháp này là không quá đắt. Asadi nói: “Hiện tại rất khó để ước tính chi phí vì chúng tôi đang ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Hơn nữa thì nhu cầu thị trường sẽ là yếu tố quyết định. Tuy nhiên, đối với  phân tích chi phí sản xuất, giá nguyên vật liệu là một yếu tố rất quan trọng. Về mặt này, nylon đạt điểm cao vì nó rẻ, trái ngược với polyme dựa trên PVDF (Polyvinylidene Fluoride) chẳng hạn ”.

Mặc dù công việc này đầy hứa hẹn, nhưng sẽ còn một thời gian nữa cho đến khi các sản phẩm sử dụng công nghệ này được bán trên thị trường. Tuy nhiên, “điện tử đeo, bao gồm cả hàng dệt thông minh, hiện là lĩnh vực được nghiên cứu nhiều vì vậy sẽ có một số sản phẩm trong tương lai gần”, Asadi giải thích.

Sợi áp điện Nylon ‐ 11 dùng cho hàng dệt điện tử, thu hoạch năng lượng và cảm biến được xuất bản trên tạp chí Vật liệu chức năng nâng cao.

Người dịch: Phạm Thị Lụa