Thiết bị áp điện sinh học từ hạt cây trinh nữ có chức năng như một siêu tụ điện tự sạc với hiệu suất cao
Đa chức năng (tạo ra năng lượng, lưu trữ và tự sạc) của hạt cây trinh nữ. Nguồn: Singh và cộng sự
Hầu hết các máy phát điện năng lượng hiện đang được sử dụng trong ngành điện tử đều dựa trên các vật liệu áp điện vô cơ không tương thích sinh học và góp phần gây ô nhiễm môi trường trên Trái đất. Trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu điện tử và kỹ sư hóa học đã cố gắng phát triển các thiết bị thay thế có thể tạo ra điện cho các thiết bị cấy ghép y tế, thiết bị điện tử đeo được, rô bốt và các thiết bị điện tử khác khai thác các vật liệu hữu cơ an toàn, tương thích sinh học và không độc hại.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Ấn Độ gần đây đã giới thiệu một thiết bị mới dựa trên hạt cây trinh nữ, có thể đóng vai trò vừa là máy phát điện nano áp điện sinh học vừa là siêu tụ điện tự sạc. Thiết bị mà họ đề xuất, được nêu trong một bài báo được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học, đã đạt được hiệu suất đáng kể, đồng thời ít gây tác động tiêu cực đến môi trường hơn.
Tiến sĩ Bhanu Bhusan Khatua, tác giả chính của bài báo, cho biết với Tech Xplore: "Nghiên cứu này được thúc đẩy bởi nhu cầu về các hệ thống năng lượng tự duy trì, tương thích sinh học để cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế cấy ghép (ví dụ: máy tạo nhịp tim, máy kích thích thần kinh) và thiết bị điện tử đeo được".
"Các vật liệu áp điện vô cơ hiện có như hợp chất gốc chì [ví dụ: (Pb, Zr)TiO3, PbTiO3] gây ra nguy cơ độc tính, gây hại cho sinh thái và biến chứng phẫu thuật do không phân hủy sinh học, điều này đã truyền cảm hứng cho chúng tôi khám phá hạt cây trinh nữ (MPL) - một nguồn tài nguyên tự nhiên, có thể ăn được và dồi dào - như một giải pháp thay thế xanh".
Nghiên cứu gần đây của Tiến sĩ B. B. Khatua và các đồng nghiệp của ông có ba mục tiêu chính. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển một máy phát điện nano áp điện sinh học mới, sử dụng hydrogel có nguồn gốc từ hạt cây MPL để thu năng lượng cơ học, chẳng hạn như năng lượng liên quan đến áp lực của ngón tay.
Sử dụng cùng loại hydrogel này, các nhà nghiên cứu cũng muốn thiết kế một siêu tụ điện tự sạc với các điện cực dựa trên RGO/NiZTO, có thể lưu trữ hiệu quả năng lượng thu được từ máy phát điện nano. Mục tiêu cuối cùng của họ là tích hợp hai khả năng này (tức là thu thập và lưu trữ năng lượng) thành một thiết bị tương thích sinh học duy nhất có thể hoạt động tự động bên trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau, bao gồm cả các thiết bị cấy ghép y tế và công nghệ đeo được.
"Hiệu ứng hợp tác của độ điện động và các chuyển đổi phức tạp trong khuôn khổ phân tử của các hạt bột hạt MPL khi chịu ứng suất cơ học có thể được sử dụng để mô tả cơ chế tạo năng lượng nano của thiết bị MSPEG", Tiến sĩ Khatua giải thích.
"Bột hạt MPL bao gồm tubulin, glycosylflavone, phenolic ketone, buffadienolide, polysaccharides glucuronoxylan (tức là hemicellulose trong thực vật hạt kín bao gồm chuỗi xylose thay thế bằng axit glucuronic (thường là nhóm 4−O−methyl hóa) và nhóm acetyl), và các bioligand chứa N khác. Các thành phần này thường chứa nhóm −OH, được kết nối bằng liên kết H− giữa/trong phân tử và chuyển ứng suất cơ học thành năng lượng điện khi các nhóm chức năng này biến dạng."
Ưu điểm chính của thiết bị mới do Tiến sĩ Khatua và các đồng nghiệp của ông phát triển là nó dựa trên hạt MPL ăn được, do đó nó không độc hại đối với môi trường như các giải pháp thu năng lượng hiện đang sử dụng dựa trên vật liệu vô cơ. Mặc dù có khả năng tương thích sinh học, nhưng thiết bị này được phát hiện đạt hiệu suất năng lượng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.
"Là một máy thu năng lượng nano áp điện (MSPEG), thiết bị của chúng tôi đạt được công suất áp điện ~13,5 V và ~2,98 μA, vượt qua nhiều đối thủ cạnh tranh có nguồn gốc sinh học", Tiến sĩ Khatua cho biết. "Hơn nữa, hạt giống MPL bio-hydrogel thể hiện hệ số áp điện 24 pC/N và hiệu suất chuyển đổi năng lượng 40,2%".
Khi hoạt động như một siêu tụ điện, thiết bị do Tiến sĩ Khatua và các đồng nghiệp của ông phát triển được phát hiện có độ ổn định chu kỳ tốt, giữ lại 87,5% điện dung sau 6.000 chu kỳ hoạt động. Thiết bị này cũng được phát hiện có mật độ năng lượng là 125,4 Wh/kg ở mật độ công suất 1200 W/kg và có khả năng tự động tạo ra và lưu trữ điện áp, ngay cả khi chịu ứng suất cơ học.
Tiến sĩ Khatua cho biết: "Thiết bị của chúng tôi có thể cung cấp nguồn điện an toàn hơn, lâu dài hơn cho các thiết bị cấy ghép (ví dụ: máy tạo nhịp tim) mà không cần thay pin nguy hiểm". "Nó cũng có thể hỗ trợ phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt để theo dõi sức khỏe hoặc cảm biến IoT, giúp giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu độc hại và thúc đẩy các hệ thống năng lượng tuần hoàn."
Trong tương lai, máy phát điện nano và siêu tụ điện mới do nhóm nghiên cứu này phát triển có thể được cải tiến hơn nữa và thử nghiệm trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau. Vì hydrogel có nguồn gốc từ hạt MPL mà nó dựa trên dễ bị phân hủy sinh học, Tiến sĩ Khatua và các đồng nghiệp của ông cũng có kế hoạch thử tăng cường phản ứng áp điện của nó bằng cách sửa đổi cấu trúc của nó.
"Trong nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi, , chúng tôi sẽ tập trung vào khả năng mở rộng quy mô của các phương pháp tổng hợp tiết kiệm chi phí cho vật liệu điện hoạt RGO/NiZTO, cũng như các thiết bị MSPEG và SCS đã phát triển và tích hợp và thử nghiệm của chúng trong các nguyên mẫu y tế và thiết bị đeo thực tế", Tiến sĩ Khatua nói thêm. "Chúng tôi cũng sẽ khám phá tính đa chức năng của các hệ thống lai kết hợp áp điện, điện ma sát và thu năng lượng mặt trời."
