Một nhóm nghiên cứu đến từ trường Đại học bang North Carolina, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) và trường Đại học Texas A & M (Hoa Kỳ) đã chế tạo thành công một loại vật liệu mới chứa các lớp phân tử nước mỏng ở cấp độ nguyên tử, mang lại hy vọng cũng như chứng minh được vai trò bất ngờ của nước trong công nghệ lưu trữ năng lượng. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) mới để đo tốc độ biến dạng ở cấp độ nhỏ hơn cấp độ nano trong vật liệu để đáp ứng với những biến đổi do quá trình lưu trữ năng lượng gây ra.

Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm trên vật liệu oxit vonfram ngậm nước kết tinh bao gồm các lớp oxit vonfram tinh thể xen kẽ với các lớp phân tử nước cực mỏng. Vật liệu này hứa hẹn khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tuy nhiên, vai trò của nước trong quá trình này vẫn chưa được làm rõ.

Để giải quyết vấn đề này, các chuyên gia đã áp dụng kỹ thuật mới dựa trên nguyên lý AFM để theo dõi quá trình giãn nở và co lại của vật liệu ở quy mô nguyên tử và trong thời gian thực như, đó là một dụng cụ điện tử có tên gọi bộ ổn áp chuyển đổi điện tích trong và ngoài vật liệu. Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học phát hiện ngay cả những biến dạng nhỏ nhất trong vật liệu khi dòng điện di chuyển qua nó.

Veronica Augustyn, trợ lý giáo sư về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại NC State, đồng thời là tác giả của bài báo về công trình nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm trên cả tinh thể oxit vonfram ngậm nước và tinh thể oxit vonfram không có các lớp nước và nhận thấy rằng các lớp nước đóng vai trò quan trọng trong cách thức phản ứng cơ học đối với khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu".

Ruocun "John" Wang, nghiên cứu sinh làm việc trong phòng thí nghiệm của Augustyn và là tác giả chính của bài báo cho biết: "Trong quá trình thử nghiệm, chúng tôi quan sát thấy các lớp nước thực hiện hai nhiệm vụ, một là: giúp giảm thiểu biến dạng (nghĩa là vật liệu giãn nở và co lại ít hơn khi các ion di chuyển vào và ra khỏi vật liệu nhờ có các lớp nước), hai là: khiến cho biến dạng có thể đảo ngược (nghĩa là vật liệu có thể dễ dàng quay trở về kích thước ban đầu)".

"Trong điều kiện thực tế, điều này có nghĩa là các lớp hydrat có thể mang lại lợi ích cũng như mức độ hiệu quả trong các cơ chế lưu trữ điện tích và giải phóng năng lượng của vật liệu", Augustyn nhấn mạnh.

Bài báo về nghiên cứu có tựa đề là "Kính hiển vi lực nguyên tử Operando tiết lộ cơ chế thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ pin sang giả tụ (thiết bị lưu trữ điện năng kiểu tụ điện - Pseudocapacitor) của phân tử nước kết cấu", được công bố trên tạp chí ACS Nano.

P.K.L (NASATI), theo https://phys.org/news/2018-05-microscopy-advance-reveals-unexpected-role.html#jCp, 24/5/2018