Năng lượng mặt trời có một điểm yếu đơn giản nhưng khó chịu. Nó biến mất khi Mặt trời lặn. Ngay cả những hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả nhất cũng phải vật lộn với thực tế cơ bản này, không có ánh nắng mặt trời nghĩa là không có điện.
Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng khắc phục điều này, nỗ lực tìm mọi cách lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt, nhưng việc thực hiện điều đó một cách hiệu quả cho thấy đó là thách thức rất lớn.
Hầu hết thiết kế lưu trữ dựa trên việc xếp chồng các vật liệu khác nhau lại với nhau, trong đó một lớp để hấp thụ ánh sáng mặt trời, một lớp khác để lưu trữ nhiệt, một lớp khác để bảo vệ hệ thống. Các lớp này hoạt động không liền mạch, làm lãng phí năng lượng ở các điểm tiếp giáp.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu áp dụng phương pháp rất khác để khắc phục vấn đề này. Thay vì lắp ráp nhiều bộ phận với nhau, họ biến gỗ thành hệ thống năng lượng mặt trời tích hợp tất cả trong một. Bằng cách thiết kế lại cấu trúc bên trong gỗ, họ tạo ra vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời, lưu trữ dưới dạng nhiệt và tạo ra điện, ngay cả sau khi ánh sáng mặt trời biến mất.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu với gỗ balsa, không phải vì độ bền, mà vì cấu trúc bên trong của nó. Dưới kính hiển vi, gỗ balsa trông giống như một bó các ống cực nhỏ, sắp xếp thẳng hàng, mỗi ống rộng 20–50 micromet. Các kênh này có thể dẫn nhiệt, giữ vật liệu, tạo thành khung đỡ tự nhiên.
Tuy nhiên, gỗ thô phản chiếu ánh sáng mặt trời và hấp thụ nước. Vì vậy, trước tiên nhóm nghiên cứu loại bỏ lignin - thành phần tạo nên màu sắc và độ cứng - khỏi gỗ. Bước loại bỏ lignin này làm tăng độ xốp lên trên 93%, làm lộ ra mạng lưới dày đặc bề mặt phản ứng bên trong các kênh.
Bạn hãy hình dung như việc khoét rỗng thớ gỗ, biến nó thành miếng bọt biển có độ xốp cao nhưng vẫn giữ được cấu trúc định hướng của nó ban đầu. Tiếp theo, thay vì đốt gỗ (phương pháp phổ biến gọi là carbon hóa), họ xử lý hóa học các bề mặt bên trong của nó.
Họ phủ lên thành kênh các tấm phosphorene đen cực mỏng, loại vật liệu hấp thụ ánh sáng mặt trời ở các bước sóng cực tím, nhìn thấy, hồng ngoại, rồi chuyển hóa nó thành nhiệt. Không giống như carbon, phosphorene còn có đặc tính chống cháy. Nhưng nó có một điểm yếu là bị phân hủy nhanh chóng trong không khí.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu bọc mỗi tấm nano trong lớp bảo vệ làm từ axit tannic và các ion sắt. Mạng lưới kim loại-polyphenol này hoạt động như lớp chắn phân tử, ngăn quá trình oxy hóa, đồng thời cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng thông qua hiệu ứng truyền tải điện tích. Ngay cả sau 150 ngày tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, vật liệu được phủ vẫn ổn định.
Sau đó, nhóm nghiên cứu thêm các hạt nano bạc, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng thông qua hiệu ứng plasmonic - về cơ bản là khuếch đại sự tương tác của vật liệu với ánh sáng mặt trời. Cuối cùng, họ ghép các chuỗi hydrocarbon dài lên bề mặt, làm cho nó chống thấm nước cực tốt.
Sau khi chuẩn bị xong khung đỡ, họ lấp đầy các kênh bằng axit stearic - một vật liệu chuyển pha có nguồn gốc sinh học. Khi được đun nóng, chất này tan chảy và tích trữ năng lượng; khi được làm nguội, nó đông đặc lại và giải phóng năng lượng đó.
Sự ổn định này dẫn đến hiệu suất mạnh mẽ. Vật liệu này lưu trữ khoảng 175 kJ nhiệt trên mỗi kilogram, chuyển đổi 91,27% ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng hữu ích, dẫn nhiệt hiệu quả hơn gần 3,9 lần dọc theo thớ gỗ tự nhiên và khi kết hợp với máy phát điện nhiệt điện, tạo ra điện áp lên đến 0,65 volt dưới điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu, nó sẽ nóng lên, làm tan chảy axit stearic được nhúng bên trong. Khi ánh sáng tắt, nhiệt lượng lưu trữ sẽ được giải phóng dần dần, duy trì chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của máy phát điện nhiệt điện. Điều này cho phép hệ thống tiếp tục sản xuất điện ngay cả sau khi nguồn sáng biến mất.
Vật liệu này còn chứng tỏ độ bền cao. Sau 100 chu kỳ làm nóng - làm nguội, hiệu suất của nó hầu như không thay đổi. Các tác giả nghiên cứu cho biết, thiết kế của họ tích hợp khả năng chống cháy, siêu kỵ nước và hoạt tính kháng khuẩn, nhờ đó làm giảm thiểu bám dính bụi và vi khuẩn phát triển, các yếu tố có thể làm giảm hiệu suất khi sử dụng ngoài trời.
Trong nghiên cứu này, gỗ không chỉ giữ vai trò là cấu trúc hỗ trợ; nó còn hấp thụ ánh sáng mặt trời, lưu trữ nhiệt và tự bảo vệ cùng một lúc. Hơn nữa, vì nhóm nghiên cứu tránh quá trình carbon hóa ở nhiệt độ cao, nên vật liệu này cũng giữ được các đặc tính hóa học cần thiết cho các điều chỉnh tiếp theo. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
