6 vật liệu có thể thay đổi thế giới

Vật liệu tận dụng từ nhiệt thải hay vật liệu tự phục hồi có thể được ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu tàu vũ trụ, cung cấp năng lượng trong tương lai.

Vật liệu có tính dẫn điện

Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng hình lục giác (kiểu tổ ong), với khoảng cách giữa các nguyên tử carbon là 0,142 nm. Màng graphene có độ dày tương đương đường kính của nguyên tử.

Giống cấu trúc của graphene, stanene được cấu tạo từ một lớp nguyên tử. Nhưng thay vì carbon, stanene được hình thành từ thiếc. Đây là đặc điểm tạo nên sự khác biệt và giúp vật liệu này dẫn điện với hiệu suất 100%.

Về mặt lý thuyết, giáo sư Shoucheng Zhang là người giới thiệu stanene lần đầu tiên vào năm 2013. Theo mô hình của ông, stanene là một chất cách điện tô pô, nghĩa là nó có các cạnh hoặc bề mặt bên ngoài dẫn điện, còn bên trong là chất cách điện (giống một que kem phủ chocolate, trong đó chocolate là chất dẫn điện, kem là chất cách điện). Do đó, stanene có thể dẫn điện với điện trở bằng không ở nhiệt độ phòng.

Tính chất của stanene chưa được kiểm tra thực nghiệm, tuy nhiên các dự đoán khác của Zhang về các chất cách điện tô pô khác đã được chứng minh là đúng.

Cấu trúc phân tử của stanene. Ảnh: SLAC

Vật liệu tự phục hồi

Năm 2014, phòng thí nghiệm của Scott White, chuyên gia Đại học Illinois, tạo ra một loại polymer mới với tính năng tự rỉ ra để sửa chữa lỗ hổng mà mắt thường nhìn thấy được. Loại polymer này có một hệ thống mạch chất lỏng mà khi vỡ ra sẽ tự đông lại giống như máu.

Các vật liệu sẵn có khác có thể làm kín vết nứt cực nhỏ, trong khi vật liệu mới có tác dụng với lỗ hổng rộng 4 mm và các vết nứt xung quanh nó. Trong tương lai, chúng có thể được ứng dụng trong công nghệ vũ trụ.

Vật liệu nhiệt điện

Nhiệt thải là kết quả tất yếu của bất kỳ thiết bị sử dụng điện. Theo ước tính của giới chuyên gia, lượng nhiệt thải ra bằng hai phần ba lượng nhiệt đã sử dụng. Đây chính là lý do khiến giới nghiên cứu tận dụng nguồn nhiệt thải này và tạo ra vật liệu nhiệt điện.

Công ty Alphabet Energy ở California, Mỹ, giới thiệu một loại máy phát nhiệt điện cắm thẳng vào ống xả của máy phát điện thông thường, chuyển hóa nhiệt thải thành điện năng hữu ích. Thiết bị được giới thiệu năm ngoái sử dụng vật liệu tương đối rẻ gọi là tetrahedrite, có thể đạt hiệu suất 5-10%.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học nghiên cứu một vật liệu có hiệu suất cao hơn gọi là skutterudite. Nó có giá thành rẻ hơn và hiệu suất đủ lớn để ứng dụng trong nhiều thiết bị tiêu tốn năng lượng.

Vật liệu nhiệt điện được ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo tàu vũ trụ.

Pin Mặt Trời giá rẻ

Năng lượng Mặt Trời có chi phí rẻ nhưng việc xây dựng một nhà máy điện sử dụng các tế bào quang điện từ silicon đơn tinh thể là một quá trình tốn kém và tiêu tốn năng lượng. Khoáng vật Perovskit có thể là một dạng vật liệu thay thế.

Perovskit được phát hiện lần đầu tiên cách đây hơn một thế kỷ. Năm 2009, tế bào quang điện được tạo ra từ perovskite có hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 3.8% và tăng lên 19,3% trong năm 2014. Con số này chưa cao so với phương thức sử dụng silicon, nhưng nó có thể phát triển nhanh chóng trong một vài năm và chi phí rẻ hơn.

Vật liệu cứng nhưng siêu nhẹ

Mô phỏng vật liệu aerogel. Ảnh: NASA

Dù rất nhẹ, Aerogel có thể thể chịu được sức nóng của một bộ đèn hàn hoặc sức nặng của một chiếc ôtô. Loại vật liệu này còn được gọi là khói đóng băng hay khói xanh.

Điểm yếu của Aerogel là độ giòn, đặc biệt khi làm từ silic. Tuy nhiên, các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không Mỹ (NASA) đã thử nghiệm với vật liệu làm từ polymer, ứng dụng tính cách điện của nó cho các tàu vũ trụ. Trộn thêm hợp chất khác vào aerogel căn bản có thể khiến nó linh hoạt hơn.

Siêu vật liệu

Metamaterial (siêu vật liệu) là một dạng vật chất nhân tạo. Trên thực tế, các siêu vật liệu có cấu trúc nano tán xạ ánh sáng theo nhiều cách đặc biệt, và một ngày nào đó sẽ khiến các vật thể trở nên vô hình.

Tùy thuộc vào cấu tạo, nó có thể tác động đến sóng radio, vi sóng hay bức xạ terahertz (T-ray). Những máy quét T-ray có thể được ứng dụng trong y học và an ninh. Tuy nhiên, việc thương mại hóa chúng trong tương lai gần là điều không dễ dàng.

Anh Hoàng (Theo Gizmodo)