Trong một nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Science Bulletin, sáng kiến này có thể biến cơ sở hạ tầng thông thường thành hệ thống tự cung cấp năng lượng. Bước đột phá này có thể đánh dấu bước ngoặt cho cơ sở hạ tầng trong tương lai tại các thành phố thông minh.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Đông Nam, Trung Quốc phát triển vật liệu hỗn hợp xi măng - hydrogel có hiệu suất vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu nhiệt điện gốc xi măng đã biết. Lấy cảm hứng từ cấu trúc nhiều lớp bên trong thân cây, vật liệu này đạt hệ số Seebeck đáng chú ý là −40,5 mV/K và hệ số phẩm chất (ZT) là 6,6 x 10⁻². Các giá trị này lần lượt cao hơn 10 lần và 6 lần so với những gì được ghi nhận với các vật liệu nhiệt điện gốc xi măng trước đây.
Xi măng có khả năng tự nhiên tạo ra điện thông qua cái gọi là hiệu ứng nhiệt điện ion. Nhưng hiệu ứng này luôn quá yếu để có thể thực hiện được. Nguyên nhân là do ma trận xi măng đặc, hạn chế tốc độ các ion có thể di chuyển qua nó.
Theo các nhà nghiên cứu, sự chênh lệch về tốc độ khuếch tán giữa các cation và anion trong dung dịch lỗ rỗng của xi măng do sự thay đổi trong tương tác với thành lỗ rỗng, mang lại cho xi măng đặc tính nhiệt điện ion vốn có. Tuy nhiên, việc cô lập các lỗ rỗng bởi ma trận xi măng đặc, cản trở quá trình vận chuyển nhanh chóng các ion có tốc độ khuếch tán cao, cản trở việc tăng cường sự khác biệt về độ linh động giữa các ion và hạn chế tăng cường hệ số Seebeck.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tạo ra một cấu trúc nhiều lớp, xen kẽ giữa xi măng truyền thống và lớp hydrogel polyvinyl alcohol (PVA). Thiết kế này giải quyết vấn đề di chuyển linh động của ion một cách thông minh.
Các lớp hydrogel cung cấp đường dẫn nhanh cho các ion hydroxide (OH⁻), trong khi giao diện giữa xi măng và hydrogel tạo thành liên kết mạnh với ion canxi (Ca²⁺) và liên kết yếu hơn với OH⁻. Sự mất cân bằng này trong quá trình khuếch tán ion, giúp tăng hiệu ứng nhiệt điện, bằng cách tăng tốc độ di chuyển của một số ion nhất định.
Điều khiến vật liệu này đặc biệt hứa hẹn là nó không chỉ tạo ra điện mà còn lưu trữ điện. Nhờ kiến trúc nhiều lớp độc đáo, mang lại cho nó cả tính chất cơ học mạnh mẽ và khả năng lưu trữ năng lượng nội tại. Điều đó có nghĩa là các tòa nhà, cầu đường làm bằng vật liệu này, một ngày nào đó có thể cung cấp năng lượng cho các cảm biến và hệ thống truyền thông không dây khi được nhúng trực tiếp vào cấu trúc.
Bước đột phá này có thể biến đổi tương lai của ngành xây dựng. Hãy tưởng tượng đến những vỉa hè cung cấp năng lượng cho đèn đường, hoặc những cây cầu tự theo dõi tình trạng kết cấu của chúng mà không cần nguồn điện bên ngoài. Với các thành phố đang phát triển và công nghệ thông minh đang gia tăng, loại vật liệu như hỗn hợp xi măng - hydrogel này mang đến cái nhìn thoáng qua về tương lai đô thị hiệu quả và bền vững hơn.
