Những "siêu vật liệu" có thể thay đổi thế giới

Graphene - vật liệu tạo ra từ một lớp nguyên tử carbon liên kết nhau theo mạng tinh thể hình tổ ong, siêu nhẹ, siêu mỏng và siêu cứng - có lẽ là vật liệu được mong chờ nhất hiện nay. Tuy nhiên đây không phải là "siêu vật liệu" duy nhất được tạo ra trong các phòng thí nghiệm.

Perovskites - tế bào năng lượng mặt trời giá rẻ

Trở ngại lớn nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo luôn luôn là tiền bạc. Năng lượng mặt trời rẻ, nhưng tạo ra một nhà máy điện sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời từ tinh thể silicon vẫn là một quá trình tốn kém, tiêu tốn năng lượng. Vật liệu có thể làm thay đổi điều này là perovskites.

Perovskites được phát hiện từ hơn một thế kỷ trước, nhưng các nhà khoa học chỉ mới nhận ra tiềm năng của nó gần đây. Trong năm 2009, các tế bào năng lượng mặt trời làm từ perovskites có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời 3,8%. Tới năm 2014, con số này đã lên tới 19,3%. Nó nghe có vẻ không nhiều so với các tế bào tinh thể silicon truyền thống với hiệu suất dao động trong khoảng 20% nhưng có hai điểm quan trọng khác cần xét tới. Thứ nhất, hiệu suất perovskites đã nhảy vọt chỉ trong một vài năm và các nhà khoa học nghĩ rằng nó còn có thể tăng thêm; và thứ hai là perovskites rẻ hơn rất nhiều.

Perovskites là một loại vật liệu được xác định bởi một cấu trúc tinh thể đặc biệt. Chúng có thể chứa số lượng nguyên tố bất kỳ, đối với perovskites sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời thường là chì và thiếc. Những nguyên liệu này có giá rẻ so với silicon tinh thể, và chúng có thể được phun lên kính dễ dàng. Oxford Photovoltaics là một trong những công ty hàng đầu đang cố gắng để thương mại hóa perovskites, để đưa sự tuyệt vời của chúng trong phòng thí nghiệm vào trong thế giới thực.

Aerogel – siêu nhẹ và cứng

Aerogel không giống như một vật liệu thực. Mặc dù nhẹ và tinh khiết như không khí, chúng có thể dễ dàng chịu được sức nóng của một đèn hàn và trọng lượng của một chiếc xe hơi. Vật liệu này gần giống như cái tên của nó: là chất gel mà các chất lỏng đã được thay thế hoàn toàn bằng khí. Nhưng bạn có thể thấy lý do tại sao nó cũng được gọi là "khói đóng băng" hay "khói xanh".

Quá trình chế tạo chất liệu này khá phức tạp. Bạn cần có một miếng thạch, sau đó rút chất lỏng trong đó đi mà vẫn phải giữ nguyên cấu trúc bên ngoài của miếng thạch, tiếp theo bơm khí vào bên trong để thay thế cho chất lỏng. Có nhiều chất có thể được bơm vào aerogel, trong đó có cả graphene! Chính cấu tạo đặc biệt của aerogel giúp cho nó có những tính chất hết sức tuyệt vời.

Đầu tiên, aerogel có khả năng cách nhiệt cực kì tốt, thậm chí gần tương đương với không khí thông thường. Aerogel làm từ chất silic có thể chịu được nhiệt độ tới hơn 1000 độ C trước khi bị tan chảy. Thêm vào đó, aerogel rất nhẹ, khối lượng riêng của nó thậm chí còn thấp hơn khí heli. Bạn có thể thấy hình một khối aerogel làm từ graphene siêu nhẹ ở trên.

Dù nhẹ như vậy nhưng aerogel lại rất khỏe nhờ cấu trúc đặc biệt của nó. Một khối aerogel nhỏ cũng có thể chịu được trọng lượng của một cục gạch hay thậm chí là cả chiếc xe ô tô. Điểm yếu của vật liệu này là nó rất giòn và đắt đỏ. Hiện các nhà khoa học tại NASA đang thử nghiệm aerogel có tính dẻo cho công nghệ chế tạo tàu vũ trụ, nhằm tận dụng khả năng cách nhiệt của nó cho quá trình di chuyển qua bầu khí quyển.

Siêu vật liệu – vật liệu tàng hình

Nếu từng đọc Harry Porter, hẳn bạn sẽ nhớ tới chiếc áo tàng hình của cậu phù thủy. Trong thực tế những siêu vật liệu, với cấu trúc nano được thiết kế để tán xạ ánh sáng theo những cách đặc biệt, có thể một ngày nào đó sẽ được sử dụng để làm cho các đối tượng trở nên vô hình, dù có thể sẽ không được kỳ diệu như áo tàng hình của Harry Potter.

Điều thú vị hơn về siêu vật liệu này là chúng không chỉ chuyển hướng ánh sáng trong phổ nhìn thấy. Tùy thuộc vào cách thức và cấu tạo của siêu chất liệu, nó cũng có thể chuyển hướng vi sóng, sóng radio, hoặc sóng T (nằm giữa vi sóng và sóng hồng ngoại trong phổ điện từ). Bất kỳ một phần của quang phổ điện từ đều có thể được điều khiển bằng siêu vật liệu.

Siêu vật liệu "tàng hình" này có thể được áp dụng trong các máy quét T-ray y học, máy quét an ninh hoặc các anten nhỏ gọn có thể thay đổi đặc tính rất nhanh. Tuy nhiên để áp dụng vật liệu này trong các sản phẩm thương mại thì có lẽ chúng ta sẽ phải chờ khá lâu.

Vật liệu nhiệt điện – tận dụng nhiệt thải

Nếu bạn đã từng cảm thấy chiếc máy tính xách tay nóng lên trên đùi hoặc mui xe nóng lên sau khi chạy một quãng đường dài, bạn đã chứng kiến sự lãng phí nhiệt. Nhiệt thải là kết quả tất yếu của việc chạy bất kỳ thiết bị có sử dụng điện. Một ước tính cho thấy lượng nhiệt thải ra bằng hai phần ba của toàn năng lượng sử dụng. Đó là lý do nhiều nhà khoa học đã tìm cách tận dụng lượng nhiệt thải này. Câu trả lời là vật liệu nhiệt điện, chất liệu tạo ra điện từ sự chênh lệch nhiệt độ.

Công ty Alphabet Energy ở California (Mỹ) đã giới thiệu một máy phát nhiệt điện cắm thẳng vào ống xả của máy phát điện thông thường, biến nhiệt thải thành điện năng hữu ích. Máy phát điện của Alphabet Energy sử dụng vật liệu nhiệt điện tương đối rẻ và tự nhiên gọi là tetrahedrite. Alphabet Energy nói tetrahedrite có thể đạt hiệu suất 5-10%.

Các vật liệu nhiệt điện hiện nay vẫn có giá thành cao, do đó thường được sử dụng ở các dự án như tàu vũ trụ. Mới đây các nhà khoa học cũng đã thử nghiệm với một vật liệu nhiệt điện đầy hứa hẹn và hiệu suất cao gọi là skutterudite, đó là một loại khoáng chất có chứa coban. Skutterudite có thể trở nên rẻ và hiệu suất đủ cao để bao bọc xung quanh ống xả của xe hơi, tủ lạnh hoặc bất kỳ thiết bị tiêu tốn năng lượng khác mà bạn có thể nghĩ đến.

Stanene – chất dẫn hiệu suất 100%

Cũng giống như graphene, stanene cũng được cấu tạo từ một lớp đơn nguyên tử. Nhưng thay vì carbon, stanene được làm bằng thiếc và điều này làm nên sự khác biệt của stanene mà graphene không thể đạt được: dẫn điện với hiệu suất 100%.

Stanene lần đầu tiên được đưa ra trên lý thuyết vào năm 2013 bởi giáo sư của Stanford, Shoucheng Zhang, người chuyên nghiên cứu về việc dự đoán các tính chất điện tử của vật liệu như stanene. Theo mô hình của ông, stanene là một chất cách điện tô pô, có nghĩa là các cạnh của nó là một chất dẫn điện và bên trong của nó là một chất cách điện. (Hãy nghĩ nó giống như một thanh kem phủ sô cô la. Sô cô la thì dẫn điện, còn kem cách điện).

Điều này có nghĩa là stanene có thể dẫn điện với điện trở bằng không, và quan trọng là ngay ở nhiệt độ phòng. Tính chất của stanene vẫn chưa được kiểm tra thực nghiệm - làm một tấm thiếc đơn nguyên tử không phải là một nhiệm vụ dễ dàng - nhưng nhiều dự đoán của Zhang về các chất cách điện tô pô khác đã được chứng minh là đúng.

Nếu những dự đoán về stanene được chứng minh, nó có thể tạo ra một cuộc cách mạng với các vi mạch bên trong tất cả các thiết bị của bạn. Cụ thể là các chip có thể nhận được nhiều năng lượng hơn. Silicon có giới hạn là không thể chạy quá nhanh vì khi đó chúng sẽ bị nóng lên nhanh chóng. Stanene, với hiệu suất dẫn điện 100 %, sẽ không gặp vấn đề như vậy.

Vật liệu tự phục hồi – nhựa sinh học

Cơ thể con người có khả năng tự sửa chữa rất tốt. Môi trường xung quanh với các vật liệu nhân tạo thì không. Giáo sư Scott White tại Đại học Illinois đã nghiên cứu và chế tạo ra loại nhựa sinh học có thể tự chữa lành. Vào năm ngoái, phòng thí nghiệm của White đã phát minh ra một loại polymer mới có thể tự rỉ ra để sửa chữa một lỗ hổng ở kích thước có thể nhìn thấy được.

Các polymer này có một hệ thống mạch chất lỏng mà khi vỡ sẽ tràn ra, sau đó đông thành cục giống như máu. Mặc dù đã tồn tại vật liệu có thể chữa lành các vết nứt nhỏ, vật liệu mới này có thể sửa chữa một lỗ rộng 4mm với các vết nứt tỏa ra xung quanh nó. Da người có thể tự chữa lành vết thủng này, nhưng đây là một sự đột phá với chất dẻo.

Bước tiếp theo có thể là nghiên cứu về các vật liệu cứng như xi măng hoặc kim loại tự phục hồi. Tất nhiên tạo ra được các vật liệu là một chuyện, còn sản xuất hàng loạt để chúng có mức giá rẻ và dùng trong công nghiệp lại là chuyện khác. Trong tương lai gần, vật liệu tự phục hồi có lẽ sẽ dùng chủ yếu trong công nghệ vũ trụ./.