Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng (APL) Johns Hopkins ở Laurel, Maryland, Hoa Kỳ, chế tạo ra hệ thống làm lạnh nhiệt điện thể rắn mới, hiệu quả gấp đôi so với các thiết bị chế tạo bằng vật liệu nhiệt điện khối tiêu chuẩn. Sự phát triển này mang đến giải pháp đầy hứa hẹn, thay thế cho công nghệ làm lạnh sử dụng máy nén thông thường.
Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications, nhóm nghiên cứu từ APL, hợp tác với các kỹ sư làm lạnh tại Samsung Research, chứng minh những cải tiến đáng kể về hiệu suất bơm nhiệt và khả năng làm lạnh.
Các cải tiến này có được, nhờ vật liệu nhiệt điện nano hiệu suất cao, gọi là cấu trúc siêu mạng, được thiết kế theo hệ thống phân cấp có kiểm soát (CHESS). Nền tảng CHESS là đỉnh cao của một thập kỷ nghiên cứu phát triển tại APL về nhiệt điện nano tiên tiến và các ứng dụng của chúng.
Nhu cầu làm mát bằng công nghệ nhỏ gọn, hiệu quả hơn đang được thúc đẩy bởi sự mở rộng đô thị và sự gia tăng các thiết bị điện tử tiên tiến, hệ thống dữ liệu quy mô lớn. Các công nghệ làm mát truyền thống có hiệu quả, nhưng chúng thường cồng kềnh, tốn nhiều năng lượng và sử dụng chất hóa học làm lạnh có thể gây hại cho môi trường.
Làm lạnh nhiệt điện là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn. Phương pháp này truyền nhiệt bằng các electron bên trong vật liệu bán dẫn chuyên dụng, không cần các bộ phận chuyển động hoặc chất hóa học làm lạnh. Do đó, hệ thống này có thể được thiết kế nhỏ gọn, yên tĩnh, đáng tin cậy và bền vững với môi trường.
Mặc dù vật liệu nhiệt điện khối đã được sử dụng trong các sản phẩm nhỏ như tủ lạnh mini, nhưng hiệu suất thấp, khả năng truyền nhiệt hạn chế và khả năng tương thích kém với sản xuất chip bán dẫn, làm hạn chế việc áp dụng chúng trong các ứng dụng lớn hơn, hiệu suất cao.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu so sánh các module làm lạnh sử dụng vật liệu nhiệt điện khối truyền thống với các module sử dụng vật liệu màng mỏng CHESS trong các thử nghiệm làm lạnh tiêu chuẩn, đo lường và so sánh công suất điện cần thiết để đạt được các mức làm lạnh khác nhau trong cùng hệ thống thử nghiệm tủ lạnh thương mại.
Kết quả thật ấn tượng: Sử dụng vật liệu CHESS, hiệu suất cải thiện đạt gần 100% so với vật liệu nhiệt điện truyền thống ở nhiệt độ phòng (khoảng 25 độ C). Sau đó, họ chuyển những cải thiện về mặt vật liệu này thành mức cải thiện hiệu suất gần 75% ở cấp độ thiết bị trong các module nhiệt điện chế tạo bằng CHESS và cải thiện hiệu suất 70% trong hệ thống làm lạnh tích hợp hoàn toàn, mỗi cải thiện đều cho thấy sự cải thiện đáng kể so với thiết bị nhiệt điện khối hiện tại.
Không chỉ cải thiện hiệu suất, công nghệ màng mỏng CHESS còn sử dụng ít vật liệu hơn đáng kể, chỉ 0,003 cm3, tương đương kích thước một hạt cát, trên mỗi đơn vị làm lạnh. Việc giảm vật liệu này đồng nghĩa với vật liệu nhiệt điện của APL có thể được sản xuất hàng loạt bằng công cụ sản xuất chip bán dẫn, giúp tiết kiệm chi phí và cho phép áp dụng rộng rãi trên thị trường.
Công nghệ màng mỏng này có tiềm năng phát triển, từ cung cấp năng lượng cho các hệ thống làm lạnh quy mô nhỏ đến hỗ trợ các ứng dụng HVAC cho tòa nhà lớn, tương tự như cách pin lithium-ion được mở rộng quy mô để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ như điện thoại di động và lớn hơn như xe điện.
Ngoài ra, vật liệu CHESS được tạo ra bằng quy trình đã được thiết lập có sẵn, thường dùng để sản xuất pin mặt trời hiệu suất cao cung cấp năng lượng cho vệ tinh và đèn LED thương mại. Những vật liệu tiếp tục cho thấy triển vọng trong nhiều ứng dụng điện tử và thu năng lượng, bên cạnh những tiến bộ gần đây trong công nghệ làm lạnh.
