Các nhà khoa học tại Đại học Penn State, Hoa Kỳ vừa phát triển loại pin hydrogel dẻo, công suất cao, lấy cảm hứng từ cá chình điện. Thiết kế mới này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế, thiết bị điện tử đeo được, robot mềm, mà không cần vật liệu độc hại hoặc giá đỡ cứng.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chế tạo độc đáo, xếp chồng nhiều loại hydrogel khác nhau, vật liệu giàu nước, có khả năng dẫn điện, theo một mô hình cụ thể, mô phỏng các quá trình dẫn ion mà cá chình điện sử dụng để tạo ra các xung điện.
Phương pháp của họ tạo ra nguồn năng lượng có mật độ năng lượng cao hơn so với các thiết kế dựa trên hydrogel khác, đồng thời vẫn giữ được tính linh hoạt, không cần giá đỡ, ổn định với môi trường và tương thích sinh học. Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Advanced Science.
Trước đây, các nhà nghiên cứu tìm đến cơ chế sinh học của các loài cá điện, như cá chình điện, để phát triển các nguồn năng lượng mềm, theo Joseph Najem, trợ lý giáo sư và là tác giả chính của bài báo. Tuy nhiên, hầu hết thiết bị lấy cảm hứng từ cá chình điện đều có công suất hạn chế và cần có giá đỡ cơ học hỗ trợ để hoạt động.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu điều chỉnh thành phần hóa học của vật liệu để chế tạo các hydrogel rất mỏng, đạt mật độ năng lượng cao hơn so với các pin dựa trên hydrogel được báo cáo trước đây mà không cần giá đỡ cơ học, đồng thời đảm bảo pin không độc hại và linh hoạt.
Trong các nghiên cứu trước đây, hydrogel thường yêu cầu các cấu trúc hỗ trợ bên ngoài, điều này khiến phương pháp này không thực tế, dẫn đến công suất đầu ra thấp, Dor Tillinger, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật cơ khí và đồng tác giả chính của bài báo cho biết.
Sử dụng phương pháp phủ quay ly tâm, nhóm nghiên cứu phủ bốn hỗn hợp hydrogel khác nhau lên bề mặt quay, mỗi hỗn hợp chỉ 20 micromet. Cấu trúc mỏng này làm giảm điện trở bên trong, từ đó tăng mật độ năng lượng, đồng thời vẫn giữ độ bền cơ học và tính linh hoạt.
Để làm cho hydrogel mỏng hơn, nhóm nghiên cứu phải điều chỉnh cẩn thận thành phần hóa học để lớp hydrogel có thể trải đều trong quá trình phủ quay ly tâm, giúp duy trì độ ổn định cơ học và đủ mỏng để giữ điện trở thấp.
Các công thức thông thường sẽ bị bay hơi khỏi bề mặt quay trong quá trình phủ quay. Việc tối ưu hóa độ nhớt, độ bền cơ học của hydrogel là điều cần thiết để phương pháp này áp dụng hiệu quả, Wonbae Lee, nghiên cứu sinh tiến sĩ khoa học và kỹ thuật vật liệu và đồng tác giả chính, giải thích.
Nguồn năng lượng thu được của họ cho thấy mật độ khoảng 44 kW/m3, cao hơn so với các nguồn năng lượng dựa trên hydrogel được báo cáo trước đây, đủ để vận hành hiệu quả các thiết bị như cảm biến y tế cấy ghép, bộ điều khiển robot mềm, thiết bị điện tử đeo được.
Vật liệu này cũng giữ nước lâu hơn so với các hydrogel thông thường. Trong khi các hydrogel tiêu chuẩn có thể bị mất nước trong vòng vài phút và mất khả năng dẫn điện, hydrogel công thức mới có thể giữ được độ ẩm trong nhiều ngày trong không khí.
Nhóm nghiên cứu dự kiến, công việc tiếp theo sẽ tập trung vào việc tăng thêm mật độ năng lượng, hiệu suất sạc lại được cải thiện, đồng thời khám phá khả năng tự sạc của pin hydrogel này.
Các đồng tác giả khác đến từ Đại học Penn State gồm Derek Hall, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí; và Haley Tholen, người vừa nhận bằng tiến sĩ kỹ thuật cơ khí từ Đại học Penn State. Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng nghiên cứu khoa học của không quân Hoa Kỳ.
