Hầu hết máy phát điện dựa trên độ ẩm, chỉ tạo ra điện áp từ microvolt đến millivolt, thấp hơn nhiều so với mức cần thiết để sử dụng cho các thiết bị điện tử đơn giản. Vấn đề cơ bản là sự cân bằng. Khi một vật liệu hấp thụ đủ nước, độ dốc (gradient) nồng độ thúc đẩy dòng ion biến mất và dòng điện ngừng lại.
Các nhà nghiên cứu cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để làm bay hơi nước từ một phía của thiết bị, tạo ra vùng khô vĩnh viễn. Nhưng phương pháp này lại tạo ra một lỗi mới: nếu bay hơi diễn ra quá nhanh, toàn bộ vật liệu sẽ bị khô và độ dốc sẽ sụp đổ từ hướng ngược lại.
Một nghiên cứu do các nhà khoa học từ nhiều trường đại học ở Trung Quốc thực hiện, đăng trên tạp chí Advanced Materials (“Sản xuất điện năng từ hơi ẩm, thông qua vải cotton có cấu trúc bất đối xứng, bằng phương pháp bay hơi quang nhiệt, hiệu quả cao và ổn định trong mọi điều kiện thời tiết”), đưa ra giải pháp cân bằng giữa các yêu cầu trái ngược này.
Thiết kế này mô phỏng quá trình thoát hơi nước của cây, trong đó lá mất nước do bay hơi, trong khi rễ liên tục hút ẩm lên trên nhờ mao dẫn. Vải cotton chế tạo với hai lớp phủ polymer, tạo ra độ dốc hơi ẩm tự duy trì dưới ánh sáng mặt trời. Polypyrrole và polydopamine, có tính chất quang học và hóa học trái ngược nhau.
Polypyrrole hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng chiếu vào, chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt một cách hiệu quả. Khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời, nó nóng lên nhanh chóng, thúc đẩy bay hơi nước nhanh. Ngược lại, polydopamine phản xạ ánh sáng nhiều hơn, làm bay hơi nước chậm hơn, cho phép nó giữ lại độ ẩm.
Điều quan trọng, polydopamine chỉ phủ một nửa bề mặt vải đã được xử lý bằng polypyrrole, tạo ra cấu trúc bất đối xứng. Trong đó, một mặt của vải vẫn luôn ẩm, trong khi mặt kia liên tục khô. Điều này tạo ra độ dốc hơi ẩm cần thiết, thúc đẩy vận chuyển ion qua các kênh siêu nhỏ của cotton, để tạo ra điện năng ổn định.
Quy trình chế tạo bắt đầu với vải cotton thông thường được ngâm trong dung dịch chứa monomer pyrrole và các chất phụ gia. Việc thêm clorua sắt sẽ kích hoạt quá trình trùng hợp trực tiếp trên sợi vải, tạo ra lớp phủ polypyrrole màu đen dẫn điện, hấp thụ 98% ánh sáng từ 300 đến 2.500 nm.
Tiếp theo, một nửa số vải phủ lớp này ngâm trong dung dịch dopamine kiềm trong 22 giờ. Ở bước này, các phân tử dopamine tự lắp ráp thành lớp cực mỏng. Lớp này tạo ra hiệu ứng giao thoa ánh sáng, làm cho vải có màu tím rực rỡ như màu sắc trong bong bóng xà phòng. Lớp màu tím này chỉ hấp thụ 74% ánh sáng chiếu vào, ít hơn nhiều so với polypyrrole.
Khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời mô phỏng ở mức 1.000 W m⁻², mặt polypyrrole màu đen đạt đến 45,3°C, nóng hơn nhiều so với mặt polydopamine màu tím chỉ ở mức 37,5°C. Nhiệt độ chênh lệch này thúc đẩy sự bay hơi nhanh hơn từ phía màu đen, liên tục hút nước từ phía màu tím ẩm hơn thông qua hiện tượng mao dẫn trong các sợi cotton. Các ion được dòng nước mang theo, tạo ra dòng điện khi đi qua các kênh nano tích điện.
Một mảnh vải 3 x 6 cm ở độ ẩm tương đối 60%, dưới ánh sáng mặt trời, tạo ra điện áp mạch hở 0,74 V, dòng điện ngắn mạch 0,72 mA. Mật độ công suất đầu ra đạt 29,2 µW cm⁻², so với chỉ 0,8 µW cm⁻² đối với vải phủ polypyrrole không có lớp polydopamine bất đối xứng. Điện áp duy trì ổn định trong hơn 18.000 giây hoạt động liên tục, không suy giảm trong suốt 40 chu kỳ bật tắt đèn kéo dài 11 giờ.
Loại vải này cũng hoạt động tốt vào ban đêm. Khi không có ánh sáng mặt trời, hai mặt polymer vẫn khác nhau về khả năng hấp thụ nước. Sự bất đối xứng này về mặt hóa học duy trì gradient yếu hơn, tạo ra điện áp khoảng 0,12 V trong bóng tối. 6 thiết bị mắc nối tiếp đạt 1,18 V dưới ánh nắng chiều và 0,72 V sau khi mặt trời lặn, chứng tỏ khả năng hoạt động ở mọi điều kiện thời tiết.
6 bộ nguồn mắc nối tiếp cung cấp điện năng cho bóng đèn LED phát sáng liên tục hơn 24 giờ. Họ đã may 15 bộ nguồn này vào một áo vest mặc được, kích thước 30 x 9 cm. Khi tập thể dục ngoài trời, mồ hôi của con người bổ sung độ ẩm, chiếc áo vest tạo ra điện áp 3,9 V, dòng điện 0,7 mA. Vào ban đêm, chiếc áo vest tương tự cung cấp điện năng cho một đèn pin nhỏ.
Vải này chịu được ứng suất cơ học. Sau 100 chu kỳ uốn cong và 100 lần ma sát với giấy nhám 400 grit, điện áp đầu ra vẫn giữ ở mức tương ứng 0,72 V và 0,73 V, cho thấy độ bền của lớp phủ polymer và khả năng sử dụng của chúng trong thực tế. Việc giặt giũ không ảnh hưởng đáng kể đến tính chất phản xạ ánh sáng của màng polydopamine.
Việc điều chỉnh thành phần hóa học giúp tăng hiệu suất hơn nữa. Việc thay thế độ ẩm trung tính bằng độ ẩm có tính axit làm tăng điện áp, vì proton đóng vai trò là chất mang điện hiệu quả. Dung dịch muối chứa các cation nhỏ, mang điện tích cao như sắt(III) cũng làm tăng hiệu suất. Phân tích tính toán cho thấy, dung dịch ion khuếch đại sự trao đổi điện tích, dẫn đến tín hiệu điện mạnh hơn.
Công nghệ này đặc biệt hứa hẹn cho thiết bị điện tử đeo được, vốn cần có pin, làm tăng trọng lượng và cần phải sạc. Trong khi loại vải tạo ra điện từ độ ẩm không khí và mồ hôi trên da, cung cấp năng lượng theo một cách khác, cho thấy ưu điểm trong điều kiện môi trường hằng ngày. Vải cotton cung cấp chất nền linh hoạt, thoáng khí, có thể sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng quy trình dệt may có sẵn.
