Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu đang tăng trưởng nhanh chóng, với dự báo từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho thấy mức tiêu thụ năng lượng thế giới sẽ tăng từ khoảng 12 tỷ tấn dầu tương đương (TOE) năm 2009 lên 17 đến 18 tỷ TOE trong giai đoạn tới. Sự cạn kiệt nhanh chóng của nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng áp lực ô nhiễm môi trường từ hàng triệu tấn pin phế thải chứa hóa chất độc hại đã thúc đẩy mạnh mẽ các hướng nghiên cứu về nguồn năng lượng sạch, có khả năng tự tái tạo. Máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG), được phát minh vào năm 2012, nhanh chóng trở thành tâm điểm của giới khoa học quốc tế với hơn 4700 nhà khoa học tại 830 phòng thí nghiệm thuộc 56 quốc gia và vùng lãnh thổ cùng tham gia phát triển tính đến năm 2020.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu của tác giả Võ Nguyễn Quỳnh Như tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ vào tháng 12 năm 2022) tập trung nghiên cứu, chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend của poly(ethylene glycol) (PEG) và poly(methyl methacrylate) (PMMA) tích hợp trên điện cực lưới đồng (PEG/PMMA@Cu mesh), kết hợp với màng poly(dimethylsiloxane) có bề mặt cấu trúc lồi (convex-PDMS). Mục tiêu của nghiên cứu là giải quyết triệt để bài toán nâng cao hiệu suất phát điện, tăng cường độ bền cơ học và tối ưu tính tương thích sinh học cho thiết bị TENG. Kết quả thực nghiệm mang lại giá trị đột phá với điện thế hở mạch đạt 292 V, dòng điện ngắn mạch 94 µA và mật độ công suất phát điện đạt 1.00 mW/cm², cao gấp 8 lần so với màng phẳng PMMA truyền thống, mở ra tiềm năng lớn cho các ứng dụng cảm biến y sinh tự cấp nguồn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của đề tài dựa trên 2 nền tảng lý thuyết chính: lý thuyết tiếp xúc tĩnh điện - cảm ứng điện từ của máy phát điện nano ma sát và lý thuyết nhiệt động học phân pha polyme. Thiết bị TENG hoạt động dựa trên hiệu ứng ma sát tích điện bên trong kết hợp với cảm ứng tĩnh điện bên ngoài thông qua mô hình tiếp xúc – tách rời thẳng đứng (Vertical Contact – Separation Mode), một trong 4 chế độ vận hành cơ bản của công nghệ TENG. Nguyên lý chuyển dịch điện tích được xác định theo chuỗi điện ma sát (Triboelectric Series), trong đó blend PEG/PMMA đóng vai trò là vật liệu nhường điện tử (electron donor) và PDMS đóng vai trò là vật liệu nhận điện tử (electron acceptor).

Nghiên cứu áp dụng hệ thống phân loại vật liệu polyme xốp theo chuẩn IUPAC với 3 cấp độ kích thước: microporous (dưới 2 nm), mesoporous (2 đến 50 nm) và macroporous (trên 50 nm). Các khái niệm cốt lõi chi phối đề tài gồm: hiện tượng phân pha do dung môi bay hơi (Solvent Evaporation Induced Phase Separation - SIPS), cấu trúc xốp nano liên tục đan xen đa chiều, và tính tương thích sinh học của chuỗi polyme ưa nước PEG. Thiết bị TENG tận dụng hiệu quả cấu trúc vi mô này để chuyển hóa các dao động cơ học ngẫu nhiên tần số thấp dưới 5 Hz thành dòng điện với hiệu suất chuyển đổi lý thuyết đạt tới 85%.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Polyme và Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme trong thời gian 3.5 tháng (từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022). Nghiên cứu khảo sát 12 nhóm mẫu thực nghiệm với các biến số độc lập được thiết lập theo phương pháp lấy mẫu thực nghiệm có kiểm soát nhằm đánh giá chi tiết các yếu tố ảnh hưởng. Cỡ mẫu bao gồm: 3 mức nồng độ polyme (20, 40 và 60 mg/ml), 4 tỷ lệ phối trộn PMMA:PEG (100:0, 95:5, 90:10 và 80:20), cùng 3 cấp khối lượng phân tử trung bình của PEG (4000, 10000 và 20000 g/mol).

Quy trình chế tạo áp dụng phương pháp phân pha SIPS kết hợp kỹ thuật nhúng phủ (dip-coating) với hệ dung môi ba cấu tử THF:MeOH:Nước cất theo tỷ lệ thể tích chuẩn 80:15:5. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng kiểm soát kích thước mao quản xốp nano đồng đều, quy trình đơn giản, chi phí thấp và dễ mở rộng quy mô sản xuất. Các phương pháp phân tích được áp dụng gồm: kính hiển vi điện tử quét SEM để khảo sát hình thái học bề mặt xốp, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để phân tích tương tác liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử, cùng hệ thống đo tĩnh điện chuyên dụng nhằm xác định chính xác điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch và khả năng chắn sóng điện từ (EMI shielding).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Thứ nhất, việc tối ưu hóa nồng độ polyme ở mức 40 mg/ml kết hợp phân tử lượng PEG 4000 g/mol (ký hiệu mẫu 4K PEG5, tỷ lệ PMMA:PEG là 95:5) tạo ra cấu trúc xốp 3D dạng bọt biển liên tục với kích thước lỗ xốp nano dao động từ 150 đến 350 nm, giúp gia tăng diện tích tiếp xúc hiệu dụng lên hơn 320% so với màng phẳng.

Thứ hai, thông số điện tích đầu ra của TENG đạt giá trị cao với điện thế mạch hở tối đa VOC đạt 292 V và cường độ dòng điện ngắn mạch ISC đạt 94 µA khi vận hành ở tần số 5 Hz dưới lực tác động khoảng 38 N.

Thứ ba, mật độ công suất tức thời đạt mức cực đại 1.00 mW/cm² tại điện trở tải mạch ngoài 10 megaohm, cao gấp 8 lần (tương đương mức tăng 700%) so với màng phẳng PMMA nguyên chất chỉ đạt 0.125 mW/cm².

Thứ tư, thiết bị chứng minh hiệu quả ứng dụng thực tế vượt bậc khi thắp sáng trực tiếp 200 bóng đèn LED nối tiếp chỉ bằng thao tác đập tay, đồng thời sạc đầy tụ điện 47 µF lên mức điện thế 3.0 V trong thời gian 35 giây để cấp nguồn cho thiết bị đo nhiệt độ kỹ thuật số.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về công suất của vật liệu lai PEG/PMMA@Cu mesh được lý giải qua 2 cơ chế: diện tích bề mặt ma sát thực tế gia tăng mạnh nhờ cấu trúc mạng xốp 3D và sự phân bố của các chuỗi PEG ưa nước giàu nguyên tử oxy trên bề mặt giúp gia tăng mật độ điện tích ma sát dương. Đồng thời, cấu trúc lưới đồng nanowire đóng vai trò điện cực thu gom điện tích với điện trở nội thấp và bảo vệ chống oxy hóa hiệu quả.

Khi dữ liệu được biểu diễn qua đồ thị đường cong công suất tức thời phụ thuộc vào điện trở tải và bảng tổng hợp thông số điện môi, công suất đầu ra đạt điểm cực trị rõ nét trong khoảng trở kháng từ 10 đến 20 megaohm. So với một nghiên cứu gần đây về màng nanocomposite GO-S/PLA đạt mật độ công suất 0.54 mW/cm², vật liệu blend PEG/PMMA trong luận văn này cho hiệu suất cao hơn 1.85 lần. Thử nghiệm độ bền cơ học qua 12,500 chu kỳ tiếp xúc liên tục cho thấy tín hiệu điện áp duy trì độ ổn định cao với mức suy giảm dưới 4.5%, đồng thời màng xốp vẫn duy trì hoạt động tốt sau 1,000 chu kỳ trong môi trường có độ ẩm không khí vượt 80%.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa vật liệu TENG từ blend PEG/PMMA vào ứng dụng thực tiễn, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất:

Một là, tối ưu hóa quy trình chế tạo màng xốp liên tục theo công nghệ cuộn sang cuộn (roll-to-roll dip-coating). Các phòng thí nghiệm trọng điểm và viện nghiên cứu vật liệu cần thực hiện giải pháp này trong giai đoạn quý 1/2024 đến quý 4/2024 nhằm tăng sản lượng màng xốp lên 500% và giảm 30% chi phí dung môi chế tạo.

Hai là, nâng cao mật độ công suất phát điện đầu ra đạt mục tiêu trên 2.50 mW/cm² và dòng điện ngắn mạch trên 150 µA. Nhóm nghiên cứu kỹ thuật vật liệu phối hợp cùng chuyên gia vi cơ điện tử triển khai từ quý 2/2024 đến quý 2/2025 thông qua việc pha tạp thêm các hạt nano dẫn điện như carbon nanotubes (CNT) hoặc graphene vào cấu trúc xốp.

Ba là, phát triển hoàn thiện mô-đun cảm biến đeo không dây tự cấp nguồn tích hợp mạch quản lý năng lượng (PMSC). Doanh nghiệp công nghệ y tế kết hợp cùng các trường đại học kỹ thuật tiến hành từ quý 3/2024 đến quý 4/2025, hướng tới mục tiêu giám sát chuyển động cơ thể thời gian thực với độ trễ phản hồi dưới 15 mili-giây.

Bốn là, chuẩn hóa quy trình kiểm định độ bền môi trường khắc nghiệt và mở rộng dải tần số thu hồi năng lượng từ 0.5 Hz đến 10 Hz. Trung tâm tiêu chuẩn đo lường chất lượng và nhóm phát triển sản phẩm cần thực hiện từ quý 1/2025 đến quý 4/2025, đảm bảo thiết bị đạt độ bền trên 50,000 chu kỳ va đập và hiệu quả chắn sóng điện từ (EMI shielding) đạt mức suy hao trên 25 dB trong dải tần số cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu, Công nghệ Polyme: Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp phân pha dung môi SIPS, giúp tiết kiệm khoảng 40% thời gian nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình tạo màng xốp nano.
  2. Kỹ sư R&D trong lĩnh vực Internet vạn vật (IoT) và vi cơ điện tử: Nắm bắt các thông số kỹ thuật chuẩn xác về thiết kế TENG chế độ tiếp xúc – tách rời, hỗ trợ phát triển các mô-đun thu hồi năng lượng cơ học thay thế pin với hiệu suất chuyển đổi trên 80%.
  3. Doanh nghiệp và chuyên gia phát triển thiết bị y tế đeo thông minh: Tiếp cận giải pháp vật liệu polyme tương thích sinh học PEG/PMMA có tính thoáng khí cao, ứng dụng trực tiếp để thiết kế cảm biến giám sát vận động tại 4 vị trí cơ thể gồm hông, khuỷu tay, gót chân và đầu gối.
  4. Nhà nghiên cứu vật liệu chắn bức xạ và kỹ thuật môi trường: Tham khảo cơ chế tích hợp màng xốp trên lưới đồng nanowire để ứng dụng kép trong việc thu hồi năng lượng xanh và chế tạo vật liệu chắn sóng điện từ bảo vệ sức khỏe người dùng.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị TENG trong nghiên cứu đạt được hiệu suất phát điện cao nhất là bao nhiêu? Thiết bị sử dụng màng xốp blend 4K PEG5 kết hợp convex-PDMS đạt điện áp hở mạch VOC tối đa 292 V và cường độ dòng ngắn mạch ISC đạt 94 µA tại tần số 5 Hz dưới lực tác động khoảng 38 N, tạo ra mật độ công suất tức thời 1.00 mW/cm².

Tại sao việc phối trộn PEG với PMMA lại giúp tăng cường mật độ điện tích ma sát? PEG là polyme có tính cho điện tử mạnh trong chuỗi ma sát điện. Khi phối trộn theo tỷ lệ 95:5 với PMMA, các chuỗi PEG giàu liên kết ether phân bố trên bề mặt màng xốp làm tăng độ phân cực, giúp nâng mật độ công suất phát điện lên gấp 8 lần so với màng phẳng PMMA.

Độ bền cơ học và tính ổn định trong môi trường ẩm của thiết bị được chứng minh ra sao? Thực nghiệm ghi nhận thiết bị duy trì điện áp ổn định qua 12,500 chu kỳ tiếp xúc liên tục với mức suy giảm dưới 4.5%. Đồng thời, lớp polyme blend phủ kín giúp bảo vệ lưới đồng khỏi oxy hóa, đảm bảo vận hành ổn định qua 1,000 chu kỳ ở độ ẩm không khí trên 80%.

Thiết bị TENG chế tạo được có khả năng cấp nguồn trực tiếp cho những linh kiện nào? Thiết bị chuyển đổi năng lượng từ thao tác đập tay cơ học để thắp sáng trực tiếp chuỗi 200 đèn LED màu xanh. Ngoài ra, thiết bị kết hợp mạch chỉnh lưu đã nạp đầy tụ điện 47 µF lên 3.0 V trong 35 giây để cấp nguồn cho nhiệt kế điện tử hoạt động liên tục.

Cấu trúc xốp nano của màng blend được điều khiển chính xác bằng các thông số nào? Cấu trúc xốp 3D được kiểm soát qua phương pháp phân pha do dung môi bay hơi (SIPS) với hệ dung môi THF:MeOH:Nước cất (80:15:5), thông qua việc tối ưu nồng độ dung dịch polyme ở 40 mg/ml, tỷ lệ PMMA:PEG ở 95:5 và khối lượng phân tử PEG ở mức 4000 g/mol.

Kết luận

  • Chế tạo thành công vật liệu lai cấu trúc xốp 3D nano liên tục từ blend PEG/PMMA trên điện cực lưới đồng bằng phương pháp phân pha dung môi SIPS hiệu quả.
  • Nâng cao mật độ công suất phát điện của thiết bị TENG lên 1.00 mW/cm² (VOC đạt 292 V, ISC đạt 94 µA), tăng gấp 8 lần so với màng phẳng truyền thống.
  • Đảm bảo độ bền cơ học xuất sắc qua 12,500 chu kỳ va đập liên tục và duy trì tính ổn định cao trong môi trường có độ ẩm vượt 80%.
  • Ứng dụng thành công trong việc cấp nguồn cho thiết bị điện tử công suất nhỏ (sạc tụ 47 µF, thắp sáng 200 đèn LED), cảm biến vận động đa điểm trên cơ thể và chắn sóng điện từ.
  • Cung cấp giải pháp vật liệu xanh, tương thích sinh học cao, mở đường cho thế hệ thiết bị điện tử đeo tự cấp nguồn trong kỷ nguyên IoT và y tế số.

Kế hoạch tiếp theo sẽ tập trung vào thử nghiệm lâm sàng mô-đun cảm biến đeo và chuyển giao công nghệ quy mô bán công nghiệp trong giai đoạn 2024-2026. Quý độc giả, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM để cùng hợp tác triển khai ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn sản xuất.