Các vật liệu mới chứa magnesium chuyển nhiệt thành điện hiệu quả hơn

Cú hạ cánh của xe tự hành Perseverance (Sự kiên nhẫn) của NASA là một bước nhảy vọt không chỉ cho khám phá không gian mà còn cho công nghệ cung cấp năng lượng để con tàu thực hiện nhiệm vụ kéo dài nhiều năm trên sao Hỏa – một máy phát nhiệt điện có chức năng chuyển nhiệt thành điện.

Tìm kiếm bước nhảy vọt tiếp theo trong các công nghệ nhiệt điện, các nhà nghiên cứu tại trường đại học Duke và Michigan đã có thêm hiểu biết cơ bản và sâu sắc mới về các vật liệu chứa magie (Mg3Sb2 và Mg3Bi2) có tiềm năng tạo ra những hiệu suất vượt trội trước các thiết kế nhiệt điện thân thiện hơn với môi trường và cũng ít đắt đỏ hơn. Trái ngược với hiểu biết phổ biến về việc sử dụng các nguyên tố nặng, các nhà nghiên cứu đã cho thấy việc thay thế các nguyên tử của các nguyên tố nặng hơn như calcium, ytterbium với các nguyên tử magnesium nhẹ hơn có thể dẫn đến khả năng tăng gấp ba hiệu suất của các vật liệu chứa magnesium.

Trong nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Science Advances, nhóm nghiên cứu này đã sử dụng các thực nghiệm về neutron và tán xạ tia X tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) và Argonne của Bộ Năng lượng Mĩ (DOE), cũng như các mô phỏng trên hệ siêu máy tính tại Trung tâm Máy tính khoa học năng lượng quốc gia (NERSC)1. Việc tìm hiểu các nguyên tố tại mức độ nguyên tử đã cho thấy nguồn gốc và cơ chế đằng sau năng lực của vật liệu để chuyển đổi năng lượng nhiệt tại nhiệt độ phòng thành điện năng. Phát hiện này chỉ dấu những con đường có thể để cải thiện những ứng dụng nhiệt điện học như ứng dụng trên xe tự hành Perseverance và  vô số những thiết bị khác cũng như những công nghệ tạo ra năng lượng khác.

Các vật liệu nhiệt điện về bản chất tạo ra một điện áp từ một dự khác biệt về nhiệt độ giữa các khía cạnh nóng và lạnh cua vật liệu. Băng việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện năng, hoặc ngược lại, các thiết bị nhiệt điện có thể được sử dụng để làm lạnh hoặc tạo ra điện từ nhiệt dư.

“Các vật liệu nhiệt điện truyền thống phụ thuộc vào các nguyên tố nặng như chì, bismuth, và tellurium – các nguyên tố không hề thân thiện với môi trường, chúng lại không có nhiều nên có xu hướng trở nên đắt đỏ”, Olivier Delaire, phó giáo sư tại Duke, nói. “Nói cách khác thì magnesium nhẹ hơn và nhiều hơn, điều này khiến nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho vận tải, các ứng dụng trên tàu vũ trụ…”.

Delaire giải thích thêm, vật liệu nhẹ hơn không phù hợp lắm với các thiết kế nhiệt điện bởi tính dẫn nhiệt của chúng quá cao, điều đó có nghĩa chúng truyền nhiệt quá nhiều để đảm bảo cho sự khác biệt về nhiệt độ, qua đó tạo ra điện áp. Các nguyên tố nặng hơn nhìn chung hấp dẫn hơn bởi vì chúng truyền ít nhiệt hơn, cho phép chúng bảo tồn và chuyển đổi nhiệt điện hiệu quả hơn.

“Các vật liệu chứa magnesium có mức dẫn nhiệt điện thấp hơn đáng kể, bất chấp có mật độ khối lượng thấp. Những đặc tính đó có thể có tiềm năng mở ra cánh cửa mới cho thiết kế các dạng mới của nhiệt điện không phụ thuộc vào vật liệu nặng với nhiều nguyên tố độc hại”, Delaire giải thích.

Vật liệu chứa magnesium mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu thuộc về một lớp kim loại lớn gọi là Zintls. Cấu trúc nguyên tử, hoặc việc sắp xếp các nguyên tử, trong các hợp chất Zintl rất phù hợp cho thực nghiệm với những nguyên tố khác biệt thay thế trong vật liệu – ví dụ, thay thế một nguyên tố nặng với một nguyên tố nhẹ để đạt được mức tối ưu hiệu suất và chức năng.

“Trong nghiên cứu hóa học, khám phá những điều có thể với những vật liệu mới thường bao hàm việc thay thế một nguyên tố bằng một nguyên tố khác chỉ để xem điều gì sẽ xảy ra. Thông thường chúng tôi thay thế chúng với những nguyên tố tương đồng về mặt hóa học trong bảng tuần hoàn, và một trong những bước tiến lớn là sử dụng Zintls theo cách chúng tôi có thể thực hiện với nhiều nguyên tố khác biệt và những kết hợp khác biệt”, Jingxuan Ding, tác giả thứ nhất của nghiên cứu và là một nghiên cứu sinh trong nhóm của Delaire tại Duke, nói. “Không ai chờ đợi magnesium trở thành một hợp chất tốt hơn nhưng khi nhóm hợp tác của chúng tôi tại Michigan thay thế nó trong các thành phần của vật liệu này, chúng tôi đã rất ngạc nhiên thấy trong trường hợp này là như vậy, vì vậy bước tiếp theo là lý giải tại sao nó lại được như thế”.

Các nguyên tử trong vật liệu này không ở trạng thái tĩnh hoặc không chuyển động; chúng dao động với những biên độ tăng lên cùng nhiệt độ cao. Các dao động thu thập được tạo một hiệu ứng gợn sóng, vốn được gọi là một phonon, trông giống như một loạt các làn sóng trên bề mặt một bể bơi. Các con sóng đó là nhiệt truyền qua một vật liệu, nó giải thích tại sao việc đo đạc các dao động phonon lại trở nên quan trọng để xác định độ dẫn nhiệt của một vật liệu.

Các neutron phù hợp để nghiên cứu về hiện tượng lượng tử như các  phonon bởi vì các neutron không mang điện tích và có thể tương tác với hạt nhân. Delaire thích các tương tác neutron, hoạt động như kiểu vuốt một sợi dây đàn guitar, để truyền năng lượng tới các nguyên tử, kích thích các dao động và gợi ra những thông tin ẩn về các hạt nhân bên trong một vật liệu.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một máy quang phổ ngắt góc rộng ARCS tại Nguồn Neutron SNS ở Phòng thí nghiệm ORNL để đo đạc các dao động phonon. Dữ liệu họ thu được cho phép họ truy dấu độ dẫn nhiệt thấp phù hợp của vật liệu tới một liên kết magnesium đặc biệt có khả năng làm gián đoạn sự lan truyền của các sóng phonon qua vật liệu bằng việc cho chúng giao thoa với nhau.

“Các neutron là một trong những cách tốt nhất để đo đạc các dao động nguyên tử như dao động trong những vật liệu mà chúng tôi đang nghiên cứu”, Ding nói. “ARCS có thể dò được một phạm vi rộng các tần số và bước sóng có thể giúp chúng tôi đo đạc được các sóng phonon tìm thấy trong vật liệu, chính xác là những gì chúng tôi cần để hiểu rõ hơn về cách các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hoạt động như thế nào”.

Các đo đạc tán xạ neutron cung cấp cho nhóm nghiên cứu một cuộc điều tra rộng về nội động lực của các vật liệu Zintl magnesium, giúp hướng dẫn và tinh chỉnh lại các mô phỏng máy tính cũng như các thực nghiệm tia X tiếp theo do Ding thực hiện. Các thông tin này góp phần đem lại một hiểu biết hoàn chỉnh về nguồn gốc của tính dẫn nhiệt của vật liệu này.

Các thực nghiệm tia X tại Nguồn Photon tiên tiến của Argonne (APS) được sử dụng để nhìn vào các chế độ phonon cụ thể trong các mẫu tinh thể quá nhỏ để cho các phép đo đạc bằng neutron. Cả hai phép đo neutron và tia X đều tương đồng kết quả với các mô phỏng trên siêu máy tính của NERSC.

“Nhiệt điện là yếu tố thiết yếu trong các ứng dụng như xe Perseverance Mars, vốn đòi hỏi những thiết kế đơn giản hơn, nhẹ hơn và tin cậy hơn thay vì những thiết kế cồng kềnh và phức tạp vẫn được dùng để tạo ra điện từ nhiệt”, Delaire nói. “Các vật liệu chứa magnesium là một bước tiến lớn trong lĩnh vực mà có thể đưa ra những hiệu suất điện năng đáng kể hơn và nhiều tiềm năng cho những ứng dụng nhiệt điện tiên tiến”.