Quản lý nhiệt cục bộ nhanh chóng là điều cần thiết cho các thiết bị điện tử và có thể có nhiều ứng dụng từ vật liệu đeo được đến xử lý bỏng. Trong khi cái gọi là vật liệu nhiệt điện chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện áp và ngược lại, hiệu quả của chúng thường bị hạn chế và việc sản xuất chúng tốn kém và lãng phí.
In trụ cho máy làm mát nhiệt điện. (Video tĩnh, Video có sẵn theo yêu cầu). Tín dụng: Shengduo Xu | ISTA
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) đã sử dụng kỹ thuật in 3D để chế tạo vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất.
Máy làm mát nhiệt điện, còn được gọi là tủ lạnh thể rắn, có thể tạo ra sự làm mát cục bộ bằng cách sử dụng dòng điện để truyền nhiệt từ một bên của thiết bị sang bên kia. Tuổi thọ cao, không bị rò rỉ, có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng, và không có bộ phận chuyển động (như chất lỏng tuần hoàn) khiến những thiết bị này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng làm mát đa dạng, chẳng hạn như thiết bị điện tử.
Tuy nhiên, việc sản xuất chúng từ thỏi có chi phí cao và tạo ra nhiều chất thải vật liệu. Ngoài ra, hiệu suất của thiết bị vẫn còn hạn chế.
Hiện nay, một nhóm tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA), do Giáo sư Khoa học Năng lượng Verbund và Trưởng phòng Thí nghiệm Nhiệt điện Werner Siemens, Maria Ibáñez đứng đầu, cùng với tác giả đầu tiên và tiến sĩ sau tiến sĩ của ISTA là Shengduo Xu, đã phát triển các vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao từ máy in 3D và sử dụng chúng để chế tạo bộ làm mát nhiệt điện.
Xu cho biết: "Việc tích hợp công nghệ in 3D vào quá trình sản xuất bộ làm mát nhiệt điện của chúng tôi giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và giảm chi phí".
Ngoài ra, trái ngược với những nỗ lực trước đây trong việc in 3D vật liệu nhiệt điện, phương pháp hiện tại tạo ra vật liệu có hiệu suất cao hơn đáng kể.
Giáo sư Ibáñez của ISTA cho biết thêm: "Với hiệu suất thương mại, công trình của chúng tôi có tiềm năng vượt ra ngoài phạm vi học thuật, có tính ứng dụng thực tế và thu hút sự quan tâm từ các ngành công nghiệp đang tìm kiếm ứng dụng thực tế".
In các viên nén được sử dụng để đo các đặc tính nhiệt điện. Tín dụng: Shengduo Xu | ISTA
Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ nhiệt điện
Trong khi tất cả các vật liệu đều thể hiện một số hiệu ứng nhiệt điện, thì chúng thường không đáng kể để có ích. Các vật liệu thể hiện hiệu ứng nhiệt điện đủ cao thường được gọi là "chất bán dẫn thoái hóa", tức là chất bán dẫn "pha tạp", trong đó tạp chất được đưa vào một cách có chủ đích để chúng hoạt động như chất dẫn điện.
Các bộ làm mát nhiệt điện hiện đại nhất hiện nay được sản xuất bằng kỹ thuật sản xuất dạng thỏi - quy trình tốn kém và tiêu tốn nhiều điện năng, đòi hỏi phải gia công nhiều sau khi sản xuất, gây lãng phí rất nhiều vật liệu.
"Với công trình hiện tại, chúng tôi có thể in 3D chính xác hình dạng cần thiết của vật liệu nhiệt điện. Ngoài ra, các thiết bị thu được có hiệu ứng làm mát ròng là 50 độ trong không khí. Điều này có nghĩa là vật liệu in 3D của chúng tôi có hiệu suất tương tự như những vật liệu có chi phí sản xuất đắt hơn đáng kể", Xu cho biết.
Do đó, nhóm các nhà khoa học vật liệu của ISTA đề xuất một phương pháp sản xuất vật liệu nhiệt điện có khả năng mở rộng quy mô và tiết kiệm chi phí, loại bỏ các bước tốn nhiều năng lượng và thời gian.
Phương pháp cào để loại bỏ đầu hình nón khỏi trụ in. Tín dụng: Shengduo Xu | ISTA
Vật liệu in có liên kết hạt được tối ưu hóa
Ngoài việc áp dụng các kỹ thuật in 3D để sản xuất vật liệu nhiệt điện, nhóm nghiên cứu đã thiết kế mực sao cho khi dung môi mang bay hơi, các liên kết nguyên tử hiệu quả và mạnh mẽ sẽ được hình thành giữa các hạt, tạo ra một mạng lưới vật liệu được kết nối nguyên tử.
Kết quả là, các liên kết hóa học giao diện cải thiện sự truyền điện tích giữa các hạt. Điều này giải thích cách nhóm nghiên cứu đã cải thiện hiệu suất nhiệt điện của vật liệu in 3D của họ đồng thời làm sáng tỏ thêm về các đặc tính vận chuyển của vật liệu xốp.
"Chúng tôi sử dụng kỹ thuật in 3D dạng đùn và thiết kế công thức mực để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc in và tăng cường liên kết hạt. Điều này cho phép chúng tôi sản xuất bộ làm mát nhiệt điện đầu tiên từ vật liệu in có hiệu suất tương đương với các thiết bị dạng thỏi trong khi vẫn tiết kiệm vật liệu và năng lượng", Ibáñez cho biết.
Ứng dụng y tế, thu năng lượng và tính bền vững
Ngoài việc quản lý nhiệt nhanh trong các thiết bị điện tử và thiết bị đeo, máy làm mát nhiệt điện có thể có các ứng dụng y tế, bao gồm điều trị bỏng và giảm căng cơ. Ngoài ra, phương pháp pha chế mực do nhóm các nhà khoa học ISTA phát triển có thể được điều chỉnh cho các vật liệu khác để sử dụng trong máy phát nhiệt điện nhiệt độ cao—các thiết bị có thể tạo ra điện áp từ sự chênh lệch nhiệt độ.
Theo nhóm nghiên cứu, cách tiếp cận như vậy có thể mở rộng khả năng ứng dụng của máy phát nhiệt điện trên nhiều hệ thống thu năng lượng thải khác nhau.
Ibáñez cho biết: "Chúng tôi đã thực hiện thành công phương pháp tiếp cận toàn chu trình, từ việc tối ưu hóa hiệu suất nhiệt điện của nguyên liệu thô cho đến chế tạo ra sản phẩm cuối có hiệu suất cao và ổn định".
Xu nói thêm, "Công trình của chúng tôi cung cấp giải pháp mang tính chuyển đổi cho sản xuất thiết bị nhiệt điện và mở ra kỷ nguyên mới về công nghệ nhiệt điện hiệu quả và bền vững".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
