Vật liệu mới giúp công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao hơn, tiêu thụ điện ít hơn

Nhưng công nghệ cung cấp điện năng cho chúng phải trả giá khá đắt: sử dụng lượng điện rất lớn, đồng thời phụ thuộc vào các kim loại đất hiếm đắt đỏ, gây hại cho môi trường và dễ bị gián đoạn nguồn cung trên toàn cầu.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Oregon State (OSU) phát triển giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, có thể giúp chiếu sáng và màn hình hiển thị hiệu quả hơn. Nghiên cứu do Phó Giáo sư Kyriakos Stylianou và các nghiên cứu sinh Kyle Smith, Ankit Yadav dẫn đầu, tập trung vào vật liệu được gọi là khung hữu cơ kim loại (MOF).

Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature Communications, có thể giúp mở đường cho các hệ thống đèn LED và màn hình hiển thị thế hệ tiếp theo, giảm mức tiêu thụ điện năng và hạn chế tác hại đến môi trường.

MOF là vật liệu tinh thể xốp, tạo thành từ các ion kim loại được kết nối bởi các phân tử hữu cơ, tạo ra các khoang có kích thước nano bên trong cấu trúc của chúng. Thiết kế độc đáo này cho phép các nhà khoa học tinh chỉnh các đặc tính, giúp chúng trở nên linh hoạt trong các ứng dụng, từ năng lượng sạch đến lưu trữ hóa chất.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu thiết kế MOF có thể thay thế kim loại đất hiếm trong công nghệ chiếu sáng và màn hình hiển thị, đặc biệt là các kim loại như europium và terbium, vốn tốn kém khai thác và gây hại cho môi trường.

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu thử nghiệm kết hợp các loại tinh thể MOF khác nhau. Một phương pháp, được gọi là “MOF-on-MOF”, bao gồm việc xếp chồng hai MOF lại với nhau như các khối xây dựng để tạo ra cấu trúc lõi-vỏ.

Qua kính hiển vi xác nhận, các tinh thể xếp lớp này tạo thành các cấu ​​trúc xác định rõ ràng. Quan trọng hơn, thiết kế này cải thiện đáng kể khả năng phát xạ ánh sáng. So với MOF thông thường, cấu trúc “MOF-on-MOF” mới, phát ra ánh sáng với hiệu suất cao hơn khoảng 4 lần.

Hiệu suất cao hơn này đồng nghĩa đèn LED trong tương lai có thể tạo ra cùng một lượng ánh sáng nhưng tiêu thụ điện năng ít hơn nhiều. Tác động tiềm tàng của tiết kiệm điện là rất đáng kể. Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, hệ thống chiếu sáng và hiển thị tiêu thụ khoảng 213 tỉ kWh điện mỗi năm.

Nếu vật liệu bền vững làm từ MOF thay thế kim loại đất hiếm trong đèn LED và màn hình, lợi ích sẽ không chỉ ở việc tiêu thụ điện ít hơn mà còn giảm chi phí sản xuất và giảm tác hại đến sinh thái. Bước đột phá này gợi mở một tương lai mà đèn chiếu sáng và màn hình có thể tỏa sáng rực rỡ nhưng lại để dấu chân carbon nhỏ hơn nhiều trên hành tinh.