'Hoa hướng dương nhân tạo' biết uốn cong về phía mặt trời để hút năng lượng

Theo dõi KTMT trên

SunBOT (ở phía trước của ảnh) là vật liệu nhân tạo đầu tiên có thể cơ động như hoa hướng dương để đối mặt theo hướng mặt trời.

Bằng cách đúc các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ thành các cấu trúc mỏng, các nhà khoa học đã tìm ra những "cọng nhỏ" uốn cong về phía nguồn sáng, cung cấp một nền tảng di chuyển có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của một loạt các công nghệ năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học California Los Angeles (UCLA) và Đại học bang Arizona, Mỹ đã công bố nghiên cứu của mình trên tạp chí Công nghệ nano tự nhiên. Bài báo đề cập đến hệ thống của họ như một máy theo dõi đa hướng sinh học giống như hoa hướng dương, viết tắt là SunBOT. Đây là vật liệu nhân tạo đầu tiên có khả năng quang hóa.

Trong khi các tấm pin mặt trời hiện nay thu được khoảng 24% năng lượng có sẵn từ mặt trời, nhà khoa học vật liệu Ximin He của UCLA và các đồng nghiệp của cô đã chế tạo vật liệu hình trụ có thể điều khiển để thu được khoảng 90% ánh sáng mặt trời, ngay cả khi mặt trời chiếu vào một góc xiên, Các nhà nghiên cứu cho biết, công nghệ này một ngày nào đó có thể được sử dụng để tối ưu hóa các tấm pin mặt trời, khử muối trong nước hoặc di chuyển robot.

Để mô tả hành vi chuyển động về mặt sinh học của hoa hướng dương, hoa mở ra vào lúc bình minh và khép lại vào lúc hoàng hôn khiến các nhà khoa học gặp khó khăn. Họ phải chế tạo các vật liệu và cấu trúc dẻo dai tổng hợp mở và đóng, hoặc uốn cong và xoắn để đáp ứng với những thay đổi về cường độ ánh sáng hoặc nhiệt độ dao động.

Hơn thế, thiên nhiên có một hành vi khác, phức tạp hơn là điều hướng sự di chuyển của các sinh vật theo hướng tốt và tránh xa các mối đe dọa. Những hành vi này chúng ta thường thấy khi hoa hướng dương nghiêng hoa để đối mặt với mặt trời, làm ấm các mảnh sinh sản của chúng để thu hút các loài thụ phấn.

Mô hình cây nhân tạo có khả năng theo nguồn sáng của các nhà khoa học Mỹ.

Để bắt chước hoa hướng dương, các nhà khoa học khác đã tạo ra các chất nhân tạo có thể uốn cong về phía ánh sáng, nhưng những vật liệu đó thường dừng lại một cách tùy tiện. Còn SunBOT có thể tự điều chỉnh, di chuyển vào vị trí tối ưu cần thiết để hấp thụ các tia nắng mặt trời, sau đó thực hiện các điều chỉnh nhỏ khi mặt trời thay đổi.

Khả năng đó đến từ cấu hình của SunBOT, đây là một loại polymer có đường kính khoảng 1 milimet được nhúng bằng vật liệu nano phản ứng với ánh sáng. Vật liệu nano hấp thụ ánh sáng và biến nó thành nhiệt; các polymer co lại để đáp ứng với nhiệt độ tăng.

Khi một chùm ánh sáng chiếu trên một trong những thân cây nhân tạo này, phía được chiếu sáng nóng lên và co lại. Điều đó khiến cho đỉnh của nó uốn cong về phía ánh sáng. Mặt dưới được che bóng của thân cây sau đó được làm mát, ngăn chặn chuyển động của SunBOT ở vị trí được định hướng tốt nhất để hấp thụ ánh sáng. Quá trình này lặp đi lặp lại khi góc của chùm ánh sáng thay đổi.

SunBOT được thiết kế uốn cong để đáp ứng các góc khác nhau của chùm ánh sáng (mũi tên chỉ hướng của ánh sáng tới) và có thể dịch chuyển vị trí khi ánh sáng di chuyển. Khả năng này cho phép các thiết bị mới thu năng lượng mặt trời tốt hơn các thiết bị khác.

Để xây dựng các SunBOT ban đầu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano vàng và hydrogel. Nhưng các thử nghiệm với các vật liệu khác - như hạt nano đen carbon và polyme tinh thể lỏng - đã cho thấy các thành phần có thể được trộn lẫn và kết hợp.

Theo Seung-Wuk Lee, một nhà nghiên cứu sinh học tại Đại học California, Berkeley, người không tham gia vào nghiên cứu cho biết, với nguyên tắc hoạt động mới này, các nhà khoa học có thể sử dụng nó trong các môi trường khác nhau cho các ứng dụng khác nhau, như SunBOT hoạt động trong nước.

SunBOT có thể được xếp thành hàng để bao phủ toàn bộ bề mặt, tạo ra một khu rừng hướng dương mini. Bề mặt phủ bằng vật liệu này có thể giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất về năng lượng mặt trời: Khi góc của ánh sáng mặt trời trực tiếp thay đổi khi mặt trời di chuyển trên cao, các vật liệu thông thường không thể theo kịp.

Ông Lee nhận xét, bằng cách tạo ra một vật liệu có thể theo ánh sáng mặt trời, các nhà nghiên cứu đã có thể giữ mức hấp thụ năng lượng mặt trời gần như tối đa khi mặt trời di chuyển trên đầu. Đây là một điều quan trọng mà họ đã đạt được.