Các nhà nghiên cứu ở Anh vừa phát triển loại vật liệu áp điện mới, hiệu suất cao, có thể chuyển đổi chuyển động vật lý thành điện mà không cần đến chì độc hại. Họ đạt được điều đó bằng cách sử dụng cấu trúc lai, mềm, làm từ thành phần không ngờ tới: bismuth-iodide.
Khám phá này, có thể thay đổi cách các thiết bị hằng ngày tạo ra năng lượng từ chuyển động, mở ra hướng đi mới cung cấp năng lượng cho các cảm biến, thiết bị đeo, thiết bị điện tử tự cấp nguồn mà không gây lo ngại đến môi trường và sức khỏe như ceramic áp điện thông thường.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một vật liệu mềm, vừa bền, vừa cực kỳ nhạy cảm với chuyển động, có hiệu suất sánh ngang với zirconate titanate chì (PZT) tiêu chuẩn công nghiệp, một loại ceramic chứa khoảng 60% chì và cần nhiệt độ xử lý lên tới 1.000°C.
Vật liệu lai mới, dựa trên bismuth-iodide có độc tính thấp, dễ sản xuất hơn và có thể tổng hợp ở nhiệt độ phòng. Sự kết hợp này khiến nó trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho công nghệ áp điện thế hệ tiếp theo, dùng trong cấy ghép y tế, thiết bị điện tử linh hoạt và thiết bị tiêu dùng.
Vật liệu áp điện phản ứng với áp lực. Khi uốn cong, xoắn hoặc nén, chúng sẽ tạo ra điện tích. Chúng cũng có khả năng biến dạng khi tiếp xúc với điện trường, cho phép kích hoạt chính xác trong các thiết bị như hệ thống lấy nét tự động của máy ảnh, cảm biến túi khí.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các công cụ tiên tiến như nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (NMR) để tìm hiểu cách vật liệu hoạt động ở cấp độ nguyên tử. Nghiên cứu này đăng trên tạp chí American Chemical Society.
Khám phá của họ cho thấy liên kết halogen giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cách vật liệu thay đổi cấu trúc, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng áp điện của nó.
Các nhà nghiên cứu cho biết, chính sự tinh tế về cấu trúc này, cho phép vật liệu lai mang lại hiệu suất cao mà không có các nhược điểm của ceramic truyền thống. Nghiên cứu này đến từ sự hợp tác giữa Đại học Birmingham, Đại học Oxford và Đại học Bristol.
Công trình này được đồng giám sát bởi Giáo sư Henry Snaith (Đại học Oxford), Tiến sĩ Harry Sansom (Đại học Bristol) và Tiến sĩ Dominik Kubicki (Đại học Birmingham), kết hợp chuyên môn về thiết kế vật liệu, kỹ thuật tinh thể và mô phỏng đặc tính ở cấp độ nguyên tử.
Các nhà nghiên cứu lưu ý, những hiểu biết sâu sắc của họ về liên kết halogen cũng có thể dẫn đến những cải tiến trong các vật liệu áp điện lai khác, có khả năng mở ra những bước tiến lớn hơn về hiệu suất trong ngành vật liệu áp điện.
Với thị trường vật liệu áp điện toàn cầu trị giá hơn 35 tỉ đô la và đang phát triển trên nhiều lĩnh vực như robot, chăm sóc sức khỏe, hệ thống ô tô, điện tử tiêu dùng, sự ra đời một giải pháp thay thế có hiệu suất cao, không chì, có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang các thiết kế an toàn và bền vững hơn.
