Tăng 160 lần công suất từ một cú xoắn: Đột phá về siêu vật liệu định nghĩa lại việc lưu trữ năng lượng
Theo Viện Công nghệ Karlsruhe
Các nhà khoa học đã khám phá ra một cách mới để lưu trữ năng lượng cơ học bằng cách sử dụng các thanh xoắn trong siêu vật liệu được thiết kế đặc biệt, mang lại mật độ năng lượng lớn và tiềm năng lớn cho robot và máy móc. Nguồn: SciTechDaily.com
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển một loại siêu vật liệu cơ học đột phá có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi ở mức độ chưa từng có.
Bằng cách khéo léo xoắn các thanh thành hình xoắn ốc và tích hợp chúng vào một cấu trúc siêu vật liệu mới, họ đã vượt qua các giới hạn thiết kế truyền thống, đạt được nhiệt lượng cao hơn từ 2 đến 160 lần so với các vật liệu hiện có. Đột phá này mở ra cánh cửa cho các thành phần năng lượng dày đặc cho robot, hấp thụ sốc và máy móc thế hệ tiếp theo.
Các phương pháp tiếp cận sáng tạo để lưu trữ năng lượng cơ học
Cho dù đó là lò xo để hấp thụ chấn động, bộ đệm cơ học để lưu trữ năng lượng hay các thành phần linh hoạt trong rô bốt và máy móc tiết kiệm năng lượng, nhiều công nghệ hiện đại đều dựa vào khả năng lưu trữ năng lượng cơ học. Điều này liên quan đến việc chuyển đổi động năng, chuyển động hoặc công cơ học thành năng lượng đàn hồi có thể được giải phóng hoàn toàn khi cần. Một yếu tố quan trọng trong quá trình này là enthalpy, tức là lượng năng lượng có thể được lưu trữ và thu hồi từ vật liệu.
Theo Giáo sư Peter Gumbsch của Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT), việc tối đa hóa enthalpy không phải là nhiệm vụ dễ dàng. "Khó khăn là kết hợp các đặc tính xung đột: độ cứng cao, độ bền cao và biến dạng có thể phục hồi lớn".
Mô hình cho thấy sự biến dạng xoắn ốc của siêu vật liệu. Nhờ cơ chế này, có thể lưu trữ một lượng năng lượng lớn mà không bị vỡ. Tín dụng: IAM, KIT / Ảnh ghép: Anja Sefrin, KIT
Thiết kế siêu vật liệu hiệu suất cao
Siêu vật liệu là vật liệu được thiết kế với các cấu trúc không có trong tự nhiên. Bằng cách sắp xếp các khối xây dựng được thiết kế cẩn thận, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các vật liệu có đặc tính nâng cao hoặc khác thường. Gumbsch, người cũng là người đứng đầu Viện Cơ học Vật liệu Fraunhofer tại Freiburg, cùng một nhóm quốc tế từ Trung Quốc và Hoa Kỳ hiện đã phát triển một siêu vật liệu cơ học có khả năng lưu trữ năng lượng đàn hồi cực kỳ hiệu quả.
Gumbsch cho biết: "Lúc đầu, chúng tôi phát hiện ra một cơ chế lưu trữ một lượng năng lượng lớn trong một thanh tròn đơn giản mà không làm gãy hoặc biến dạng vĩnh viễn". "Bằng cách xác định cách sắp xếp thông minh các thanh, sau đó chúng tôi đã tích hợp cơ chế này vào một siêu vật liệu".
Cơ học xoắn để duy trì năng lượng tối đa
Các nhà nghiên cứu đã so sánh khám phá của họ với lò xo uốn truyền thống, chỉ có thể uốn cong đến một mức độ nhất định trước khi bị nứt hoặc biến dạng vĩnh viễn do ứng suất cao trên bề mặt của nó. Bên trong lò xo, ứng suất vẫn thấp, khiến nó không hiệu quả trong việc lưu trữ năng lượng. Nhưng bằng cách xoắn thanh thay vì uốn cong, bề mặt sẽ chịu ứng suất đồng đều hơn và thể tích vật liệu bên trong có ứng suất thấp sẽ giảm đi. Đẩy mạnh ý tưởng này hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng lực xoắn mạnh để tạo ra một mô hình uốn cong xoắn phức tạp, tối đa hóa khả năng lưu trữ năng lượng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.
Enthalpy cao kỷ lục trong các thiết kế vật liệu mới
Các nhà nghiên cứu đã tích hợp được các thanh chịu tải xoắn và biến dạng xoắn như vậy vào một siêu vật liệu có thể được sử dụng ở cấp độ vĩ mô dưới tải trọng đơn trục. Các mô phỏng đã giúp họ dự đoán rằng siêu vật liệu sẽ có độ cứng cao và do đó có thể hấp thụ lực lớn. Ngoài ra, enthalpy của nó cao hơn từ 2 đến 160 lần so với các siêu vật liệu khác. Để xác nhận điều này, họ đã tiến hành các thí nghiệm nén đơn giản trên nhiều siêu vật liệu khác nhau có cấu trúc đối xứng phản chiếu.
Các ứng dụng trong tương lai cho vật liệu năng lượng cao
Gumbsch cho biết: "Các siêu vật liệu mới của chúng tôi với khả năng lưu trữ năng lượng đàn hồi cao có tiềm năng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong tương lai, nơi cần cả khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả và các đặc tính cơ học đặc biệt". Các ứng dụng có thể hình dung được bên cạnh khả năng lưu trữ năng lượng dựa trên lò xo bao gồm hấp thụ hoặc giảm chấn cũng như các cấu trúc linh hoạt trong robot hoặc trong máy móc tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, các vòng xoắn xảy ra bên trong siêu vật liệu có thể được sử dụng cho các mối nối hoàn toàn đàn hồi.
Tài liệu tham khảo: “Năng lượng đàn hồi có thể phục hồi lớn trong siêu vật liệu chiral thông qua sự uốn cong xoắn” của Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen, Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao và Peter Gumbsch, ngày 12 tháng 3 năm 2025, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-025-08658-z
