Băng có vẻ như chẳng có tác dụng gì nhiều, ngoài việc làm trơn trượt đường sá vào mùa đông, làm mát đồ uống vào mùa hè, và nhô lên hùng vĩ từ đại dương dưới dạng những dòng sông băng xa xôi mà hầu hết chúng ta có lẽ sẽ không bao giờ nhìn thấy tận mắt.
Từ nhiều thế kỷ trước, con người sử dụng sức mạnh của nước để tạo ra điện năng, như nhà máy thủy điện và các trường hợp khác. Ngược lại, băng hiếm khi được coi là nguồn năng lượng, vì không giống như vật liệu áp điện, nó không thể tạo ra điện tích khi bị nén.
Nhưng hóa ra, băng tiềm ẩn một siêu năng lực. Một nhóm nghiên cứu từ Viện khoa học và công nghệ nano Catalan, Đại học Xi’an Jiaotong và Đại học Stony Brook gần đây phát hiện, mặc dù không có tính áp điện, băng vẫn có thể tạo ra điện khi bị biến dạng (như uốn cong), nhờ hiện ứng gọi là flexoelectricity.
Điều này khác với vật liệu áp điện, vốn tích tụ điện tích khi chịu tác động của lực cơ học (ứng suất). Rõ ràng, một viên đá sẽ không bị uốn cong, nhưng như nhóm nhà nghiên cứu phát hiện ra, tính chất điện có thể được kích hoạt bằng cách uốn cong một lớp băng mỏng hơn nhiều.
Mặc dù người ta biết rằng, các sông băng va chạm hoặc các tảng băng nứt vỡ có thể tạo ra điện do ứng suất cực lớn, nhưng tính chất flexoelectricity vốn có của băng như một vật liệu vẫn còn là một bí ẩn cho đến nay. Điện tích đó không chỉ xuất hiện trong các khối băng khổng lồ.
Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Xin Wen từ Đại học Xi’an Jiaotong dẫn đầu, mô phỏng các hạt băng va chạm bên trong đám mây dông. Kết quả thí nghiệm cho thấy rất giống với những gì xảy ra trong tự nhiên. Điều này có nghĩa, sự tương tác giữa các hạt này có thể liên quan đến tia sét rạch ngang bầu trời trong cơn dông.
Dựa trên khám phá đầu tiên này, các nhà nghiên cứu tiến thêm bước đột phá: thêm muối vào băng, làm tăng đáng kể khả năng tạo ra điện của nó. Trong nghiên cứu trước đây, người ta quan sát thấy băng nguyên chất tạo ra điện tích khi bị biến dạng. Mức độ này khá thấp, không đủ sử dụng trong các thiết bị điện tử.
Xin Wen và nhóm nghiên cứu thử nghiệm thêm muối (NaCl) vào băng và phát hiện, băng mặn tạo ra điện tích mạnh hơn rất nhiều lần. Khi các nhà nghiên cứu uốn cong các lớp băng có độ mặn khác nhau, điện tích được tạo ra nhiều hơn từ các lớp băng có nồng độ muối cao hơn, và đạt đỉnh ở lớp băng chứa 25% muối, điện tích cao hơn gấp 1.000 lần so với băng thông thường.
Hiệu ứng này được giải thích bởi dòng nước mặn chảy dọc ranh giới các hạt bên trong băng. Khi băng bị uốn cong, các phân tử nước và ion muối di chuyển từ phía bị nén sang phía bị kéo giãn. Chuyển động này tạo ra dòng điện, làm tăng hiệu ứng flexoelectric của băng. Vì băng cấu tạo từ nhiều tinh thể khác nhau, nên các ion có thể di chuyển qua khoảng trống giữa các tinh thể đó.
Dựa trên nguyên lý này, nhóm nghiên cứu phát triển các thiết bị nguyên mẫu, có thể chuyển đổi sự uốn cong của băng thành năng lượng hữu ích. Kết quả cho thấy hiệu ứng này có thể khai thác để phát triển các cảm biến giá rẻ và các thiết bị thu năng lượng có thể sản xuất trực tiếp trong môi trường cực lạnh, chẳng hạn như ở vùng cực.
Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng nhấn mạnh một số thách thức vẫn cần được giải quyết: băng muối mất hiệu suất sau nhiều chu kỳ sử dụng và công suất đầu ra của nó vẫn thấp hơn so với các vật liệu áp điện thương mại tiên tiến nhất.
Dẫu sao, các ưu điểm của nó - sự phong phú, tính bền vững, chi phí thấp - khiến nó trở thành giải pháp đầy hứa hẹn cho việc phát triển các công nghệ sạch. Hơn nữa, điều này có thể bổ sung hiểu biết của chúng ta về các quá trình tự nhiên trong môi trường băng giá, khi một phần mười diện tích hành tinh được bao phủ bởi băng, mà phần lớn là băng mặn.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials.
