Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Thiết kế pin mặt trời hiệu quả lấy cảm hứng từ cấu trúc nano của cánh ve sầu (21/11/2017)

Nhà khoa học Imran Zada và cộng sự tại Đại học Thượng Hải Jiao Tong ở Trung Quốc Các đã chế tạo thành công một loại vật liệu bao phủ chống phản quang hiệu quả, có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất pin mặt trời, vật liệu bề mặt tàng hình, vật liệu chống gỉ và các ứng dụng quang học khác.

Trong bài báo mới đây được đăng tải trên tạp chí Applied Physics Letters, nhóm nghiên cứu cho biết thiết kế của họ dựa trên hình dáng cánh của ve sầu. Các chuyên gia giải thích: Chính cấu trúc nano đặc biệt của đôi cánh ve sầu đã mang lại cho chúng đặc tính chống phản xạ đặc biệt, giúp truyền hoặc hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được ở mức độ gần đạt100%. Đối với pin mặt trời, đặc tính chống phản xạ đóng vai trò hết sức quan trọng, nó cho phép pin khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn, hiệu năng tổng thể cung nhờ đó được cải thiện.

Dựa trên mô hình cấu trúc nano của đôi cánh của ve sầu (được làm chủ yếu bằng chitin), các nhà khoa học đã sản xuất một loại vật liệu bề mặt bằng silic dioxit (thường gọi là bột Silica hay bột Thạch Anh - một loại vật liệu rẻ tiền thường được sử dụng để làm tăng khả năng chịu lực trong sản xuất cửa sổ và ống kính máy ảnh). Đầu tiên, họ thực hiện phương pháp xử lý cánh ve sinh học trong dung dịch có chứa silic dioxit, sau đó, sử dụng kỹ thuật siêu âm cường độ cao, và cuối cùng làm cứng đôi cánh nhằm tách chúng ra khỏi vật liệu silic dioxit. Thông qua các bước nêu trên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo loại vật liệu bao phủ sinh học silic dioxit với cùng một mô hình cấu trúc nano của cánh ve sầu.

Đồng tác giả nghiên cứu Wang Zhang, thuộc Đại học Shanghai Jiao Tong chia sẻ: "Công trình nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng vật liệu silic dioxit với cấu trúc chống phản quang có thể được chế tạo trực tiếp từ cánh ve sầu bằng cách áp dụng kỹ thuật siêu âm hay phương pháp hóa học sol-gel đơn giản và không tốn kém. Vật liệu mới thể hiện tính năng chống phản quang hiệu quả cao trong dải ánh sáng khả kiến dưới góc tới rộng".

Thử nghiệm cho thấy đặc tính chống phản xạ của vật liệu bao phủ mới không hiệu quả khi nó chỉ hấp thụ ít nhất là 0,3% ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, đặc tính phản xạ thay đổi tùy thuộc vào góc tới của ánh sáng, và tăng lên 3,3% khi góc tới của ánh sáng tăng lên. Các nhà nghiên cứu giải thích rằng tính chất chống phản quang phát huy hiệu quả là nhờ mô hình cấu trúc nano của cánh ve, do kích thước cấu trúc nano nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Mô hình này tạo ra một mặt nghiêng hệ số khúc xạ liên tục bị chia độ từ không gian đến bề mặt của vật liệu, tạo không gian cho chùm tia sáng truyền tới vật liệu và ngăn cản chúng phản xạ trở lại.

Mặc dù, về bản chất, cánh ve là vật liệu siêu kị nước nhưng các nhà nghiên cứu cho biết đặc tính này hoàn toàn có thể điều chỉnh trên bề mặt vật liệu silic dioxit bằng cách thay đổi thành phần hóa học để biến đổi nó thành vật liệu thấm nước. Liên kết hydro với các phân tử nước dễ dàng hình thành trên bề mặt ưa nước. Đặc tính mới cung với tính chất chống phản xạ của vật liệu giúp hạn chế hiện tượng tạo thành sương mù, cho thấy các ứng dụng tiềm năng của vật liệu quang học có chức năng chống sương mù và tự làm sạch. Nhóm chuyên gia cho biết họ đang có kế hoạch nghiên cứu kỹ hơn nữa những loại ứng dụng này trong tương lai.

Zhang cho biết: "Trong tương lai, nghiên cứu của chúng tôi hướng tới chế tạo các loại vật liệu cấu trúc phản quang có độ khúc xạ cao nhằm tìm hiểu đặc tính đa chức năng của chúng, như phản quang, hoạt tính kháng khuẩn và siêu thủy ngân”.

Nguồn: NASATI