Khái niệm về thiết bị MEG được xây dựng dựa trên khả năng của các vật liệu khác nhau để tạo ra điện từ sự tương tác với độ ẩm trong không khí. Lĩnh vực này ngày càng nhận được sự quan tâm do tiềm năng của nó cho một loạt các ứng dụng trong đời sống, bao gồm các thiết bị điện tử tự cung cấp năng lượng như máy theo dõi sức khỏe, cảm biến da điện tử và thiết bị lưu trữ thông tin.

Những thách thức chính của công nghệ MEG hiện tại bao gồm độ bão hòa nước của thiết bị khi tiếp xúc với độ ẩm xung quanh và hiệu suất điện không đạt yêu cầu. Do đó, điện năng được tạo ra bởi các thiết bị MEG thông thường không đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và cũng không bền vững.

Để vượt qua những thách thức này, một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Tan Swee Ching từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc CDE đã phát minh ra một thiết bị MEG mới có chứa hai vùng có tính chất khác nhau để duy trì ổn định sự khác biệt về hàm lượng nước giữa các vùng để tạo ra điện và cho phép phát điện trong hàng trăm giờ.

Bước đột phá công nghệ này đã được xuất bản trên tạp chí khoa học Advanced Materials vào ngày 26/5/2022.

'Pin' kéo dài bằng vải tự sạc

Thiết bị MEG của nhóm NUS bao gồm một lớp vải mỏng được phủ các hạt nano carbon. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loại vải làm từ bột gỗ và polyester. Một vùng của vải được phủ một hydrogel ion hút ẩm và vùng này được gọi là vùng ướt.

Được thực hiện bằng cách sử dụng muối biển, gel hấp thụ nước đặc biệt có thể hấp thụ lượng nước gấp hơn sáu lần trọng lượng ban đầu của nó và được sử dụng để hút độ ẩm từ không khí. Đầu kia của vải là vùng khô không chứa lớp hydrogel ion hút ẩm. Điều này là để đảm bảo rằng khu vực này được giữ khô và nước bị giới hạn ở vùng ướt.

Khi lắp ráp thiết bị MEG, các ion của muối biển được tách ra khi nước được hấp thụ trong vùng ướt và từ đó tạo ra điện. Các ion tự do với điện tích dương (Cations) được hấp thụ bởi các hạt nano carbon được tích điện âm. Điều này gây ra sự thay đổi trên bề mặt của vải, tạo ra một điện trường trên nó. Những thay đổi này trên bề mặt cũng cung cấp cho vải khả năng lưu trữ điện để sử dụng sau này.

Sử dụng một thiết kế độc đáo của các vùng khô ướt, các nhà nghiên cứu NUS đã có thể duy trì hàm lượng nước cao trong vùng ướt và hàm lượng nước thấp trong vùng khô. Điều này sẽ duy trì sản lượng điện ngay cả khi vùng ướt bão hòa với nước. Sau khi bị bỏ lại trong môi trường ẩm ướt trong 30 ngày, nước vẫn được duy trì ở khu vực ướt cho thấy hiệu quả của thiết bị trong việc duy trì sản lượng điện.

Giáo sư Tan giải thích: "Với cấu trúc bất đối xứng độc đáo này, hiệu suất điện của thiết bị MEG mới được cải thiện đáng kể so với các công nghệ MEG trước đây, do đó có thể cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử thông thường, chẳng hạn như máy theo dõi sức khỏe và thiết bị điện tử đeo tay".

Thiết bị MEG của nhóm cũng thể hiện tính linh hoạt cao và có thể chịu được áp lực khi bị xoắn, lăn và uốn cong. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng cách gấp vải theo kiểu origami mà không ảnh hưởng đến hiệu suất điện tổng thể của thiết bị.

Một nguồn điện di động và hơn thế nữa

Thiết bị MEG có các ứng dụng ngay lập tức do khả năng mở rộng dễ dàng và nguyên liệu thô có sẵn trên thị trường. Một trong số đó là sử dụng làm nguồn điện di động cho các thiết bị điện tử cấp nguồn trực tiếp bằng độ ẩm môi trường xung quanh.

Tiến sĩ Zhang Yaoxin, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: Sau khi hấp thụ nước, một mảnh vải tạo ra năng lượng có kích thước 1,5 x 2 cm có thể cung cấp tới 0,7 vôn (V) trong hơn 150 giờ trong môi trường không đổi.

Nhóm NUS cũng đã chứng minh thành công khả năng mở rộng của thiết bị mới trong việc tạo ra điện cho các ứng dụng khác nhau. Họ đã kết nối ba mảnh vải tạo ra năng lượng với nhau và đặt chúng vào một hộp in 3D có kích thước bằng một pin AA tiêu chuẩn. Điện áp của thiết bị lắp ráp đã được thử nghiệm đạt mức cao tới 1,96V - cao hơn pin AA thương mại khoảng 1,5V - đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ như đồng hồ báo thức.

"Thiết bị của chúng tôi cho thấy khả năng mở rộng tuyệt vời với chi phí chế tạo thấp. So với các cấu trúc và thiết bị MEG khác, phát minh của chúng tôi đơn giản hơn và dễ dàng hơn trong việc mở rộng quy mô tích hợp và kết nối. Chúng tôi tin rằng nó hứa hẹn nhiều khả năng thương mại hóa", giáo sư Tan chia sẻ. Các nhà nghiên cứu đã nộp bằng sáng chế cho công nghệ này và đang có kế hoạch khám phá các chiến lược thương mại hóa tiềm năng cho các ứng dụng trong thực tế.