Lươn điện đã truyền cảm hứng cho loại pin đầu tiên và giờ đây là con đường dẫn đến các công nghệ pin trong tương lai

Lươn điện đã truyền cảm hứng cho loại pin đầu tiên và giờ đây là con đường dẫn đến các công nghệ pin trong tương lai

    Lươn điện đã truyền cảm hứng cho loại pin đầu tiên và giờ đây là con đường dẫn đến các công nghệ pin trong tương lai

    Electric eels inspired the first battery and now point a way to future battery technologies

    Cá chình điện ở thủy cung Suma. Tín dụng: harum.koh / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0
    Khi nhu cầu của thế giới về một lượng lớn năng lượng di động ngày càng tăng với tốc độ ngày càng cao, nhiều nhà đổi mới đã tìm cách thay thế công nghệ pin hiện tại bằng một thứ gì đó tốt hơn.

    Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã khai thác các nguyên tắc điện hóa cơ bản khi ông phát minh ra pin đầu tiên vào năm 1800. Về cơ bản, sự kết hợp vật lý của hai vật liệu khác nhau, thường là kim loại, tạo ra phản ứng hóa học dẫn đến dòng electron từ vật liệu này sang vật liệu khác. Dòng electron đó đại diện cho năng lượng di động có thể được khai thác để tạo ra năng lượng.

    Vật liệu đầu tiên con người sử dụng để sản xuất pin là đồng và kẽm. Các loại pin tốt nhất hiện nay - loại pin tạo ra công suất điện cao nhất với kích thước nhỏ nhất có thể - ghép nối lithium kim loại với một trong số các hợp chất kim loại khác nhau. Đã có những cải tiến ổn định trong nhiều thế kỷ, nhưng pin hiện đại dựa trên chiến lược tương tự như của Volta: ghép nối các vật liệu với nhau có thể tạo ra phản ứng điện hóa và giật các điện tử được tạo ra.

    Nhưng như tôi mô tả trong cuốn sách "Tia lửa: Cuộc sống của Điện và Dòng điện", ngay cả trước khi pin nhân tạo bắt đầu tạo ra dòng điện, các loài cá điện, chẳng hạn như cá ngư lôi nước mặn (ngư lôi Torpedo) của Địa Trung Hải và đặc biệt là các loại Các loài cá chình điện nước ngọt của Nam Mỹ (bộ Gymnotiformes) được biết đến nhiều để tạo ra sản lượng điện với tỷ lệ tuyệt đẹp. Trên thực tế, những con cá điện đã truyền cảm hứng cho Volta để tiến hành nghiên cứu ban đầu cuối cùng dẫn đến pin của anh ấy, và các nhà khoa học về pin ngày nay vẫn đang tìm kiếm những con vật chạy bằng điện này để tìm kiếm ý tưởng.

    Sao chép cơ quan điện của lươn

    Trước khi có pin của Volta, cách duy nhất để mọi người tạo ra điện là chà xát các vật liệu khác nhau với nhau, điển hình là lụa trên thủy tinh, và thu được tĩnh điện. Đây không phải là một cách dễ dàng và thực tế để tạo ra năng lượng điện hữu ích.

    Volta biết cá điện có một cơ quan nội tạng đặc biệt dùng để tạo ra điện. Anh ta lý luận rằng nếu anh ta có thể bắt chước hoạt động của nó, anh ta có thể tìm ra một cách mới để tạo ra điện.

    Cơ quan điện của một con cá bao gồm các tế bào xếp chồng dài trông rất giống một cuộn đồng xu. Vì vậy, Volta đã cắt những chiếc đĩa giống như đồng xu từ các tấm vật liệu khác nhau và bắt đầu xếp chúng theo các trình tự khác nhau, để xem liệu anh ta có thể tìm thấy bất kỳ sự kết hợp nào có thể tạo ra điện hay không. Các thí nghiệm xếp chồng này tiếp tục cho kết quả âm tính cho đến khi ông thử ghép đôi đĩa đồng với đĩa kẽm, đồng thời tách các cặp xếp chồng lên nhau bằng đĩa giấy được làm ướt bằng nước mặn.

    Chuỗi giấy đồng-kẽm này tạo ra điện một cách tình cờ, và sản lượng điện tương ứng với chiều cao của ngăn xếp. Volta nghĩ rằng anh đã khám phá ra bí mật về cách cá chình tạo ra điện và rằng anh đã thực sự tạo ra một phiên bản nhân tạo của cơ quan điện của cá, vì vậy ban đầu anh gọi khám phá của mình là "cơ quan điện nhân tạo". Nhưng nó không phải.

    Điều gì thực sự khiến lươn nhiễm điện

    Các nhà khoa học hiện biết các phản ứng điện hóa giữa các vật liệu khác nhau mà Volta phát hiện ra không liên quan gì đến cách một con lươn điện tạo ra điện của nó. Thay vào đó, cá chình sử dụng cách tiếp cận tương tự như cách các tế bào thần kinh của chúng ta tạo ra tín hiệu điện, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều.

    Các tế bào chuyên biệt trong cơ quan điện của lươn bơm các ion qua hàng rào màng bán thấm để tạo ra sự chênh lệch điện tích giữa bên trong và bên ngoài màng. Khi các cổng cực nhỏ trong màng mở ra, dòng chảy nhanh của các ion từ bên này sang bên kia của màng sẽ tạo ra dòng điện. Con lươn có thể đồng thời mở tất cả các cổng màng của nó theo ý muốn để tạo ra một luồng điện cực lớn, nó phóng ra theo kiểu nhắm mục tiêu vào con mồi.

    Lươn điện không giật chết con mồi; họ chỉ làm choáng nó trước khi tấn công. Một con lươn có thể tạo ra hàng trăm vôn điện (ổ cắm điện gia dụng ở Mỹ là 110 vôn), nhưng điện áp của con lươn không đẩy đủ dòng điện (cường độ dòng điện), trong một thời gian đủ dài, để giết chết. Mỗi xung điện từ một con lươn chỉ kéo dài vài phần nghìn giây và truyền tải ít hơn 1 amp. Đó chỉ là 5% cường độ dòng điện trong gia đình.

    Điều này tương tự như cách thức hoạt động của hàng rào điện, cung cấp các xung rất ngắn của điện cao áp, nhưng với cường độ dòng điện rất thấp. Do đó, chúng gây sốc nhưng không giết gấu hoặc những kẻ xâm nhập động vật khác cố gắng vượt qua chúng. Nó cũng tương tự như vũ khí điện giật Taser hiện đại, hoạt động bằng cách nhanh chóng phát ra một xung điện áp cực cao (khoảng 50.000 vôn) mang cường độ dòng điện rất thấp (chỉ vài miliampe).

    Những nỗ lực hiện đại để bắt chước con lươn 

    một số nhà khoa học điện hiện đại đang tìm kiếm để chuyển đổi công nghệ pin đã tìm thấy nguồn cảm hứng của họ trong cá chình điện.

    Một nhóm các nhà khoa học đến từ Hoa Kỳ và Thụy Sĩ hiện đang nghiên cứu một loại pin mới lấy cảm hứng từ cá chình. Họ hình dung rằng một ngày nào đó pin mềm và linh hoạt của họ có thể hữu ích để cung cấp năng lượng nội bộ cho thiết bị cấy ghép y tế và rô bốt mềm. Nhưng nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng họ còn một chặng đường dài phía trước. Michael Mayer, thành viên nhóm nghiên cứu từ Đại học Fribourg, than thở: "Các cơ quan điện ở lươn cực kỳ tinh vi; chúng tạo ra điện năng tốt hơn nhiều so với chúng ta". Vì vậy, nghiên cứu về cá chình vẫn tiếp tục.

    Năm 2019, giải Nobel Hóa học được trao cho ba nhà khoa học đã phát triển pin lithium-ion. Khi trao giải, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển khẳng định rằng công trình của những người được trao giải đã "đặt nền móng cho một xã hội không dây, không sử dụng nhiên liệu hóa thạch."

    Phần "không dây" chắc chắn là đúng, vì pin lithium-ion hiện cung cấp năng lượng cho hầu như tất cả các thiết bị không dây cầm tay. Chúng ta sẽ phải chờ xem tuyên bố về "xã hội không sử dụng nhiên liệu hóa thạch", bởi vì pin lithium-ion ngày nay được sạc lại bằng điện thường được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Không đề cập đến sự đóng góp của lươn điện.

    Tuy nhiên, vào cuối năm đó, các nhà khoa học từ Viện Smithsonian đã công bố phát hiện ra một loài lươn điện Nam Mỹ mới; Đây đáng chú ý là máy phát điện sinh học mạnh nhất được biết đến trên Trái đất. Các nhà nghiên cứu đã ghi lại sự phóng điện của một con lươn duy nhất ở 860 volt, cao hơn nhiều so với mức phóng điện của loài lươn giữ kỷ lục trước đó, Electrophorus Electricus, với tốc độ 650 volt và cao hơn 200 lần so với điện áp trên cùng của một lithium-ion. pin (4,2 vôn).

    Giống như con người chúng ta cố gắng tự chúc mừng về sự tuyệt vời của nguồn năng lượng di động mới nhất của chúng ta, những con cá chình điện tiếp tục khiến chúng ta phải hạ mình bằng chúng.

    Zalo
    Hotline