Nghiên cứu được tài trợ một phần bởi gã khổng lồ điện tử Samsung. Với lí do rất rõ ràng, Samsung đang thăm dò các nguồn năng lượng tái tạo để giúp cấp điện cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.

Nghiên cứu có thể là một bước tiến đáng kể trong nỗ lực tìm kiếm những cách thức mới để phát điện từ “năng lượng cơ học”, chẳng hạn như chuyển động vốn có trong gió, sóng đại dương, bánh xe và thậm chí cử động hằng ngày của con người.

Cho đến nay, người ta đã đạt được một số thành công trong khai thác năng lượng cơ học như các thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện được sử dụng rộng rãi để cấp điện cho các thiết bị điện tử đeo, thiết bị y sinh và đồ vật trong mạng IoT ngày càng phổ biến.

Thông thường những phát minh này dựa trên hiệu ứng áp điện – khả năng một số chất và vật liệu phát một điện tích đáp lại một sức ép cơ học như ép, xoắn hay bóp méo.

Vấn đề với chuyển đổi năng lượng áp điện là nó vận hành tốt nhất ở tần số cao, lớn hơn 10 giao động mỗi giây. Hiệu năng có nguy cơ sụt giảm đáng kể ở các mức tần số thấp hơn. Và các chuyển động tần số cao như vậy tương đối khó tìm trong tự nhiên trong khi chuyển động tần số thấp phổ biến hơn rất nhiều.

Giáo sư kỹ thuật điện Qing Wang cho hay dự án trực tiếp nhắm vào giải quyết thách thức đó. “Ý tưởng của chúng tôi là thiết kế riêng một cách để biến chuyển động tần số thấp thành điện”, ông nói.

Nhóm nghiên cứu đa ngành đã quyết định thử tìm một cách để điều chỉnh hiệu suất vận hành của các máy biến năng vốn chuyển đổi một dạng năng lượng này thành một dạng năng lượng khác phù hợp với nguồn giao động vì lợi ích của việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Nếu thành công phương pháp này có thể tăng đáng kể mức năng lượng được thu hoạch từ các nguồn xung quanh.

Giải pháp mà họ thu được là một máy biến năng cơ học dựa trên một dạng diot ion hữu cơ dẻo mới. Nó được làm từ 2 điện cực nanocomposite với các ion di động mang điện tích trái dấu được ngăn cách bởi một màng polycacbonat. Các điện cực này là một ma trận polyme chứa đầy ống nano cacbon và được pha chất lỏng ion. Ống nano cải thiện khả năng dẫn điện và tăng cường độ bền cơ học của các điện cực.

Phép màu diễn ra khi một lực cơ học như cái đè ngón tay được áp vào. Cùng lúc, một điện thế tích hợp được hình thành chống lại sự khuếch tán ion cho đến khi đạt được sự cân bằng. Chu kỳ hoàn thiện vận hành ở tấn số 1/1 Hz, tức là 10 giây 1 lần. Nhóm nghiên cứu cho hay mật độ điện tối đa của thiết bị nhìn chung lớn hơn hoặc tương đương với các máy phát áp điện vận hành ở các mức tần số hiệu quả của chúng.

Wang cho biết: “Hiện giờ, ở mức tần số thấp, không thiết bị nào vượt qua được thiết bị này. Đó là lí do vì sao tôi nghĩ ý tưởng này lý thú”.

Các nhà nghiên cứu tin rằng thiết bị của mình sẽ mở đường cho một máy khai thác năng lượng có khả năng nâng quy mô mà có thể giúp cấp điện các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.

“Vì thiết bị làm bằng polyme nên nó vừa dẻo lại vừa nhẹ. Khi được kết hợp vào smartphone thế hệ tiếp theo, chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp đến 40% năng lượng được yêu cầu của pin. Và với ít nhu cầu hơn dành cho pin, vấn đề an toàn (pin) sẽ được giải quyết”, Wang cho biết.