Lớp phủ Graphene trên cảm biến đóng vai trò như máy phát điện tí hon

Các nhà nghiên cứu tại Viện bách khoa Rensselaer, Hoa Kỳ, đã phát triển phương pháp mới để thu hoạch năng lượng từ dòng nước chảy. Phát hiện này nhằm mục đích đẩy nhanh việc tạo ra các vi cảm tự cấp nguồn cho hoạt động thăm dò dầu khí chính xác hơn và ít tốn kém và hiệu quả hơn.

Dưới sự dẫn dắt của giáo sư Nikhil Koratkar làm việc tại Viện bách khoa Rensselaer, Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu điều tra cách thức luồng nước chảy trên bề mặt phủ một lớp graphene vật liệu nano có thể tạo ra một lượng điện nhỏ. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra 85 nanowatts năng lượng từ một tấm graphene với chiều dài 0,03mm, và chiều rộng 0,015mm.

Lượng năng lượng này có đủ để vận hành cảm biến điện nhỏ được đặt vào nước hoặc các chất lỏng khác và bơm xuống giếng dầu tiềm năng, theo Koratkar. Khi cảm biến di chuyển, đồng thời nước cũng sẽ được tiêm qua các vết nứt xuất hiện tự nhiên và các đường nứt sâu trong lòng đất, các thiết bị cảm biến phát hiện sự hiện diện của hydrocarbon và giúp phát hiện ra túi ẩn (của dầu và khí tự nhiên). Khi nước chảy qua thiết bị cảm biến phủ graphene, lớp phủ này sẽ hoạt động như một máy phát điện nano để cung cấp nguồn điện cần thiết duy trì hoạt động của cảm biến. Nguồn năng lượng này cần thiết giúp các cảm biến thu thập dữ liệu và chuyển tiếp thông tin trở lại mặt đất.

"Không thể cung cấp năng lượng cho các vi cảm biến này bằng loại pin thông thường, bởi thiết bị cảm biến quá nhỏ. Cho nên, chúng ta tạo ra lớp phủ graphene vật liệu nano trên thiết bị cảm biến, cho phép biến chuyển động của nước, thành năng lượng điện," theo Koratkar, giáo sư trong phân ban cơ khí, ngành hàng không vũ trụ, và kỹ thuật hạt nhân và phân ban khoa học vật liệu và Kỹ thuật, trường Kỹ thuật Rensselaer. "Trong khi ảnh hưởng tương tự đã được theo dõi cho ống nano carbon, thì đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên với lớp phủ graphene vật liệu nano. Lớp phủ graphene vật liệu nano có khả năng tạo ra lượng năng lượng ít nhất là dưới dạng luỹ thừa 10 nhiều hơn so với ống nano carbon. Hơn nữa, lợi thế của lớp phủ graphene vật liệu nano là tính linh hoạt, có thể quấn quanh hầu hết các hình học hay hình dạng bất kỳ."

Thông tin chi tiết của nghiên cứu có tựa đề "Thu hoạch năng lượng từ dòng nước dựa trên Graphene", được xuất bản trực tuyến tuần trước trên tạp chí Nano Letters.

Đây cũng là đề tài nghiên cứu đầu tiên được tài trợ 1 triệu đô-la Mỹ để thưởng cho nhóm nghiên cứu của Koratkar vào tháng 3 năm 2010 bởi Hiệp hội năng lượng ứng dụng.

Thăm dò Hydrocarbon là một quá trình đắt tiền có liên quan đến việc khoan sâu xuống trong lòng đất để phát hiện sự hiện diện của dầu hoặc khí tự nhiên. Koratkar cho biết, các công ty dầu và khí đốt sẽ tăng cường thêm tính hiệu quả của quá trình này bằng cách gửi một số lượng lớn các bộ vi cảm biến hoặc có kích thước nano vào các giếng khoan mới và hiện có. Những cảm biến sẽ đi sâu vào lòng đất, chúng được vận chuyển bằng áp lực nước bơm vào các giếng, và vào mạng lưới các vết nứt vốn tồn tại bên dưới mặt đất. Công ty dầu mỏ sẽ không còn bị giới hạn để thăm dò theo chiều dọc, và dữ liệu thu thập từ cảm biến sẽ là cánh tay đắc lực của các công ty, cung cấp nhiều thông tin chính xác hơn cho việc ra quyết định chọn địa điểm tốt nhất để khoan.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu là một giải pháp tiềm năng cho một thách thức quan trọng để thực hiện những vi cảm biến tự hành, và tự cấp nguồn. Bằng cách bao phủ các vi cảm với một lớp phủ graphene, cảm biến có thể thu hoạch năng lượng nhờ vào dòng nước chảy qua lớp phủ.

"Chúng tôi sẽ bọc lớp phủ graphene xung quanh cảm biến, và nó sẽ hoạt động như một lớp da thông minh phục vụ như một máy phát điện tí hon" , theo Koratkar.

Graphene là một tấm đơn nguyên tử dày của các nguyên tử carbon, được bố trí giống như một hàng rào liên kết chuỗi. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của Koratkar sử dụng graphene đã được phát triển bằng cách lắng đọng hơi hóa chất trên một chất nền đồng và chuyển lên silicon dioxide. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hệ thống dòng chảy trong đường hầm thí nghiệm để kiểm tra khả năng tạo ra điện năng khi dòng nước chảy qua lớp phủ graphene ở các tốc độ khác nhau.

Cùng với khả năng để tạo ra 85 nanowatts điện năng từ một mảnh nhỏ của graphene, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng động lực phân tử để hiểu rõ hơn về lý tính của hiện tượng này. Họ phát hiện ra các ion clorua có mặt trong nước bám vào bề mặt graphene. Khi nước chảy qua lớp graphene, lực ma sát giữa dòng nước và sức hút bám của các ion clorua hấp thụ làm cho các ion, trôi dạt theo hướng dòng chảy. Các chuyển động của các ion này kéo những hao phí hiện diện trong graphene theo hướng dòng chảy tạo ra một dòng nội bộ.

Điều này có nghĩa là lớp phủ graphene đòi hỏi các ion phải có mặt trong nước để hoạt động đúng. Vì vậy, các công ty thăm dò dầu sẽ cần phải thêm hóa chất vào nước trước khi bơm vào giếng. Koratkar cho biết đây là một giải pháp dễ dàng và không tốn kém.

Nhóm nghiên cứu của Koratkar cũng đã thử nghiệm thu hoạch năng lượng bằng cách cho nước chảy qua các ống nano carbon. Tuy nhiên, chúng không hiệu quả bằng việc sử dụng lớp phủ graphene, Koratkar cho biết.

Với các ứng dụng tiềm năng trong tương lai của công nghệ mới, Koratkar cho biết ông có thể hình dung các robot siêu nhỏ hoặc tàu ngầm siêu nhỏ tự cấp nguồn, và khả năng thu năng lượng từ một lớp graphene phủ dưới đáy của một chiếc thuyền.

Cùng với Koratkar, các đồng tác giả của thí nghiệm bao gồm: Yunfeng Shi, phó giáo sư tại khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật tại trường kỹ thuật Rensselaer, Prashant Dhiman và Fazel Yavari, nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, trường kỹ thuật Rensselaer; Xi Mi nghiên cứu sinh ngành Vật lý, trường kỹ thuật Rensselaer; cùng với Pulickel Ajayan, M. Benjamin và Mary Greenwood Anderson, Giáo sư Kỹ thuật tại Đại học Rice và Nghiên cứu sinh Hemtej Gullapalli, tại Đại học Rice.