Vào đầu thế kỷ 20, phát minh về chụp X-quang đã mang đến bước tiến vượt bậc về kiến thức trong khoa học y tế. Kể từ đó, chúng ta có thể thấy xương của cơ thể hoạt động như thế nào, đưa ra nhiều phương pháp điều trị mới.
Thiết kế của các thí nghiệm cho phép nhóm của Forner Cuenca có thể nhìn vào bên trong pin dòng chảy.
Hiện nay, một phương pháp tương tự sử dụng hình ảnh neutron giúp có thể hình dung hoạt động bên trong của pin dòng chảy oxy hóa khử—một loại pin chủ yếu được sử dụng để lưu trữ quy mô lớn trong các hệ thống năng lượng mặt trời và gió. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications .
Việc có thể nhìn thấy bên trong những cục pin này mang lại những khả năng mới để cải tiến chúng.
Một dự án hợp tác quốc tế giữa TU/e, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ (PSI) do nhà nghiên cứu Antoni Forner-Cuenca của TU/e đứng đầu đã phát triển phương pháp mới này bằng cách sử dụng hình ảnh neutron.
Bước đột phá này cung cấp những hình ảnh chuyển động đặc biệt giúp chúng ta hiểu được cơ chế hoạt động bên trong của pin dòng oxy hóa khử.
Nghiên cứu thúc đẩy sự tò mò trên nhiều lĩnh vực
Quan trọng hơn, những hình ảnh này cung cấp nguồn cảm hứng và hướng dẫn cho những ý tưởng và giải pháp mới. Trực tiếp hơn, phương pháp này có thể hỗ trợ phát triển pin dòng chảy oxy hóa khử, mặc dù kỹ thuật hình ảnh mới do nhóm của Forner Cuenca đưa ra cũng có thể giúp các ngành khoa học khác tiến lên. "Phương pháp của chúng tôi là kết quả của việc thử nghiệm và vay mượn từ các lĩnh vực khác nhau. Đây là một ví dụ thú vị về tầm quan trọng của nghiên cứu thúc đẩy sự tò mò trên khắp các ngành."
Chụp X quang neutron đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu có tên "Định lượng phân phối nồng độ trong pin dòng oxy hóa khử bằng chụp X quang neutron". Forner Cuenca đã học được rất nhiều về kỹ thuật chụp ảnh này trong quá trình đào tạo Tiến sĩ của mình, bắt đầu vào năm 2013 tại PSI. Sau đó, vào năm 2017, ông đã thực hiện nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT, nơi ông đã tìm hiểu về pin dòng oxy hóa khử. Đó là lúc bóng đèn sáng lên trong đầu ông.
Hệ thống vẫn là một hộp đen
"Bên trong pin dòng chảy, có chất lỏng chuyển động—cái gọi là chất điện phân. Một dòng điện chạy qua cell khi pin chạy ở chế độ sạc hoặc xả. Do đó, các ion và phân tử oxy hóa khử trong chất điện phân bắt đầu di chuyển theo các hướng khác nhau, dẫn đến sự thay đổi nồng độ của các phân tử.
"Chuyển động đó quyết định hiệu suất và độ bền của pin, nhưng cho đến nay, hệ thống vẫn là một hộp đen. Khả năng nhìn vào bên trong một cục pin đang hoạt động và hình dung sự phân bố nồng độ sẽ cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về hệ thống."
Vì vậy, một yếu tố chính trong cách thức hoạt động của pin vẫn là một lãnh thổ chưa được khám phá, khiến Forner Cuenca phải suy nghĩ. "Cơ thể chúng ta cũng chủ yếu được tạo thành từ chất lỏng, cụ thể là nước. Tia X đi qua đó và tương tác với các nguyên tố nặng hơn trong xương của bạn, cho phép bạn nhìn thấy chúng mà không cần cắt mở cơ thể.
"Neutron hoạt động theo cách ngược lại: chúng dễ dàng đi qua vật liệu vỏ pin nhưng lại tương tác mạnh với các phân tử trong chất điện phân lỏng."
Một ứng dụng mới của khoa học hiện có
"Sử dụng tính chất cơ bản này của neutron tương tác với các phân tử nhất định, chúng tôi đang sử dụng phương pháp chụp X quang neutron lần đầu tiên để quan sát nồng độ phân tử trong pin dòng chảy." Nói cách khác, đây là một ứng dụng mới của khoa học hiện có.
"Bản thân kỹ thuật đó không phải là mới; ví dụ, nó đã được các bảo tàng sử dụng để xem các đồ vật lịch sử được làm bằng gì mà không làm hỏng chúng. Nhưng giờ đây, chúng ta cũng có thể sử dụng nó để hình dung chất lỏng chuyển động, như trong pin dòng oxy hóa khử."
Tuy nhiên, phương pháp mà Forner-Cuenca và nhóm của ông sử dụng vẫn tốn nhiều công sức hơn so với chụp ảnh X-quang và tương tự như hoạt hình tĩnh vật.
"Để theo dõi theo thời gian thực sự về cách nồng độ chất lỏng thay đổi trong pin, chúng tôi liên tục chụp ảnh cứ sau 30 giây về tập hợp các nơtron di chuyển qua pin. Chúng tôi ghép những bức ảnh đó lại với nhau, có thể nói như vậy, cung cấp cho chúng tôi một video cho thấy cách nồng độ thay đổi trong quá trình pin hoạt động."
Minh họa về phương pháp chụp X quang neutron cho thấy các thiết lập chụp ảnh neutron và các thành phần tế bào. Tín dụng: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50120-7
Đo trong 24 giờ trong 10 ngày làm việc
Các thí nghiệm này được tiến hành tại nguồn neutron của PSI. Một nhóm cộng tác gồm ba sinh viên tiến sĩ chịu trách nhiệm thực hiện các thí nghiệm với Forner-Cuenca—Remy Jacquemond, Maxime van der Heijden và Emre Boz, những người hiện đã tốt nghiệp bác sĩ. Vì các thí nghiệm rất căng thẳng, nhóm đã đo trong 24 giờ theo nhiều ca khác nhau trong khoảng 10 ngày để tối đa hóa năng suất.
"Có cơ hội sử dụng neutron là một trải nghiệm phi thường; trung bình chúng tôi chỉ được sử dụng thiết bị như vậy một lần trong hai năm. PSI (Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, nơi các thí nghiệm diễn ra, biên tập) có một cuộc thi thí nghiệm quốc tế hàng năm được xếp hạng theo tầm quan trọng. Chúng tôi đã rất vinh dự khi thực hiện thành công bốn thí nghiệm."
"Về mặt nỗ lực và chuyên môn, dự án này rất khó khăn, và việc có ba nghiên cứu sinh tiến sĩ cộng tác là điều cần thiết cho sự thành công của dự án. Tôi rất tự hào về ba đồng nghiệp này, những người đã làm việc chăm chỉ và hợp tác như một đội thực sự. Điều này cho thấy giá trị to lớn của việc làm việc theo nhóm, cả trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi và với các cộng tác viên quốc tế tại PSI và MIT."
Nhiều lĩnh vực cần cải thiện
Theo Forner Cuenca, việc hình dung hoạt động của chất lỏng trong pin dòng Redox rất quan trọng vì một số lý do. "Tất nhiên, việc hiểu các quá trình diễn ra bên trong pin có nghĩa là chúng ta có thể phát triển các hệ thống hoạt động tốt hơn, hiệu quả hơn và có tuổi thọ dài hơn.
"Do đó, vì chúng chủ yếu được sử dụng để lưu trữ năng lượng tái tạo từ mặt trời và gió, nên chúng tôi hy vọng sẽ đóng góp vào quá trình chuyển đổi năng lượng." Vẫn còn nhiều lĩnh vực cần cải thiện, như Forner Cuenca đã giải thích trong bài viết trước đây trên trang web của chúng tôi.
Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ mới nào, nó cũng mang lại những khả năng khác trong tương lai. "Ví dụ, lò phản ứng hóa học được sử dụng để tạo ra tất cả các loại sản phẩm như nhựa, mỹ phẩm và thuốc. Vì phương pháp của chúng tôi cho phép hình dung các phân tử hữu cơ trong dung dịch, chúng tôi dự đoán rằng các ứng dụng công nghiệp khác có thể được hưởng lợi từ kỹ thuật hình ảnh của chúng tôi."
Những hiểu biết mới này, đến lượt nó, có thể dẫn đến những phương pháp hoặc ý tưởng hoàn toàn khác. "Đó là điều khiến tôi phấn khích nhất: khơi dậy sự tò mò. Rốt cuộc, đây là cách chúng tôi phát triển phương pháp luận mới này. Nghiên cứu hợp tác và những ý tưởng thúc đẩy sự tò mò là hai yếu tố quan trọng của những khám phá khoa học. Được hỗ trợ bởi khoản tài trợ ERC dành cho các dự án trên trời xanh, chúng tôi đã có thể phát triển phương pháp này và chúng tôi có nhiều ý tưởng mới để theo đuổi trong tương lai."
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
