Tương lai đồng hồ không cần pin sắp đến: Tấm film mỏng hút nhiệt cơ thể biến thành năng lượng

Vấn đề cốt lõi của thiết bị tạo điện nhiệt

Bộ tạo điện nhiệt (thermoelectric generator) hoạt động dựa trên nguyên lý khai thác chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt ấm và môi trường xung quanh mát hơn để sinh ra điện. Đây là hướng tiếp cận đầy tiềm năng cho thiết bị đeo thông minh, vì cơ thể người liên tục tỏa nhiệt ra ngoài.

Tuy nhiên, khi chế tạo thiết bị dạng màng mỏng, vấn đề phát sinh: nhiệt cơ thể truyền thẳng từ dưới lên trên rồi tản ra không khí, tương tự như nhiệt đi xuyên qua một tờ giấy mỏng. Kết quả là không tạo ra được vùng nóng và vùng lạnh riêng biệt trên cùng bề mặt, và vì vậy không có chênh lệch nhiệt độ đủ để phát điện hiệu quả.

Trước đây, các kỹ sư thường xử lý bằng cách gấp vật liệu lại hoặc xây dựng cấu trúc dạng cột 3D. Dù có tác dụng, những phương pháp này làm mất đi ưu điểm mềm dẻo và nhẹ của màng mỏng - thứ quan trọng nhất với thiết bị đeo trên người.

Giải pháp: Buộc nhiệt chạy ngang thay vì chạy thẳng

Nhóm nghiên cứu của Đại học Quốc gia Seoul đã tìm ra cách giữ nguyên cấu trúc phẳng nhưng vẫn tạo ra chênh lệch nhiệt độ cần thiết. Công trình được công bố trên tạp chí khoa học Science Advances.

Thiết bị mới được gọi là "bộ tạo điện nhiệt ngang giả" (pseudo-transverse thermoelectric generator). Thay vì để nhiệt thoát thẳng lên, nhóm nghiên cứu thiết kế một lớp nền silicon co giãn được, trong đó các hạt nano đồng có khả năng dẫn nhiệt chỉ được nhúng vào những vùng cụ thể. Điều này buộc nhiệt phải lan theo chiều ngang dọc theo vật liệu, từ đó tạo ra các vùng nóng và lạnh nằm cạnh nhau ngay trên cùng một bề mặt phẳng. Hiệu ứng này bắt chước một hiện tượng vật lý phức tạp khi dòng nhiệt và dòng điện di chuyển vuông góc nhau, đạt được gradient nhiệt độ hữu ích chỉ thông qua thiết kế cấu trúc.

Sản xuất đơn giản, dễ mở rộng quy mô

Toàn bộ thiết bị được chế tạo bằng quy trình in mực, giúp sản phẩm giữ được độ linh hoạt cao và có thể sản xuất ở quy mô lớn. Các thành phần có thể lắp ghép theo kiểu mô-đun, giống như các khối xếp hình, để phù hợp với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau.

Đây là nền tảng mở đường cho thế hệ thiết bị đeo thông minh tự cấp điện, áp sát da người một cách thoải mái mà không cần đến pin hay bộ sạc ngoài.