Vào năm 2020, Jun Yao, trợ lý giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại UMass Amherst và các đồng nghiệp của ông đã phát triển dây nano từ vi khuẩn có tên Geobacter sulfurreducens . Các nhà khoa học đã chỉ ra cách những sợi dây đó có thể liên tục kéo điện ra khỏi không khí bằng cách thu được một lượng nhỏ độ ẩm. Hệ thống này dựa vào tính chất hóa học của dây nano và các lỗ trong màng bọc chúng.
Dựa trên nghiên cứu đó, Yao và nhóm của ông hiện đã phát hiện ra rằng loại dây nano tham gia vào quá trình này không quan trọng. Họ nói rằng mánh khóe thực sự liên quan đến kích thước của các lỗ trên màng.
Yao nói: “Điều chúng tôi nhận ra sau khi phát hiện ra Geobacter là khả năng tạo ra điện từ không khí – cái mà sau đó chúng tôi gọi là ‘Hiệu ứng Air-gen’ – hóa ra là chung chung: theo nghĩa đen thì bất kỳ loại vật liệu nào cũng có thể thu điện từ không khí, miễn là nó có đặc tính nhất định.”
Tính chất mà ông đang đề cập đến có liên quan đến cái được gọi là “quãng đường tự do trung bình”, khoảng cách mà một phân tử của bất kỳ chất nào có thể di chuyển trước khi va vào một phân tử khác. Đối với nước, chẳng hạn như chất tạo nên độ ẩm trong không khí, khoảng cách là 100 nanomet (nm), hoặc nhỏ hơn một phần nghìn chiều rộng của một sợi tóc người.
Giống như nghiên cứu trước đây, nghiên cứu mới liên quan đến hai lớp màng nano. Mặt trên có các lỗ nhỏ hơn 100 nm. Nó hoạt động như một loại sàng giữ các phân tử nước trên bề mặt khi chúng chờ để lọt qua các lỗ chân lông. Khi các phân tử này tập trung ở lớp màng trên cùng, chúng tạo ra điện tích tự nhiên lớn hơn điện tích ở lớp dưới của màng. Sự mất cân bằng giữa hai lớp tạo ra dòng điện một cách hiệu quả, tương tự như cách tia sét hình thành trong các đám mây .
Yao, tác giả chính của bài báo mới, cho biết: “Không khí chứa một lượng điện khổng lồ. “Hãy nghĩ về một đám mây, không gì khác hơn là một khối các giọt nước. Mỗi giọt đó chứa một điện tích và khi điều kiện thích hợp, đám mây có thể tạo ra tia sét – nhưng chúng ta không biết cách thu điện một cách đáng tin cậy.” từ sét. Những gì chúng tôi đã làm là tạo ra một đám mây quy mô nhỏ do con người tạo ra, tạo ra điện cho chúng tôi theo dự đoán và liên tục để chúng tôi có thể thu hoạch điện.”
Kết xuất hệ thống được thiết kế trước đó của nhóm
Yao cho biết vì hiệu ứng tạo ra điện chỉ dựa vào kích thước lỗ rỗng nên hệ thống có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau.
Ông nói: “Ý tưởng này rất đơn giản nhưng nó chưa từng được khám phá trước đây và nó mở ra mọi khả năng”. “Máy gặt có thể được thiết kế từ tất cả các loại vật liệu, mang lại nhiều lựa chọn về chế tạo tiết kiệm chi phí và thích ứng với môi trường. Bạn có thể tưởng tượng máy gặt được làm từ một loại vật liệu cho môi trường rừng nhiệt đới và loại khác cho các vùng khô cằn hơn.”
Như nghiên cứu trước đây của nhóm cho thấy, mặc dù hệ thống thu hoạch dựa vào độ ẩm trong không khí để hoạt động nhưng nó không cần độ ẩm quá cao và về mặt lý thuyết thậm chí có thể hoạt động trong điều kiện sa mạc.
Đây không phải là lần đầu tiên chúng ta thấy nghiên cứu nhằm khai thác điện từ không khí. Năm ngoái, một công ty của Úc tên là Strategic Energy đã chứng kiến cổ phiếu của mình tăng vọt sau khi công bố công nghệ “Mực năng lượng” , dựa vào độ ẩm xung quanh – chẳng hạn như mồ hôi do cơ thể con người tiết ra – để tạo ra điện. Và trước đó, các nhà khoa học tại Đại học Tel Aviv đã sử dụng các đám mây bão làm nguồn cảm hứng và tạo ra điện áp bằng cách sử dụng hơi nước trong khí quyển và bề mặt kim loại .
Tuy nhiên, nếu nghiên cứu của UMass Amherst dẫn đến các ứng dụng thực tế thì đó có thể là một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực này dựa trên tính đơn giản tuyệt đối của nó. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cho biết vì màng nano quá nhỏ nên việc xếp chồng nó sẽ đơn giản và có thể tạo ra năng lượng ở mức kilowatt.