Các tinh thể xoắn, linh hoạt là chìa khóa để sản xuất năng lượng mặt trời

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Duke đã tiết lộ động lực phân tử ẩn sâu cung cấp các đặc tính mong muốn cho các ứng dụng năng lượng mặt trời và nhiệt năng. Vật liệu thú vị có tên là halide perovskites.

Một đóng góp quan trọng vào cách halide perovskites tạo ra và vận chuyển điện là các mạng tinh thể nguyên tử có kiểu xoắn bện và vặn theo kiểu bản lề. Kết quả này sẽ giúp các nhà khoa học vật liệu tiến tới điều chỉnh công thức hóa học của những vật liệu này cho nhiều ứng dụng thân thiện với môi trường. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials mới đây.

Olivier Delaire, phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Duke, cho biết: “Hiện các nhà nghiên cứu có mối quan tâm lớn đối với halide perovskites cho các ứng dụng năng lượng như quang điện, nhiệt điện, phát xạ và dò tìm (phát hiện) phóng xạ quang điện tử - toàn lĩnh vực rất thiết thực. Mặc dù chúng tôi hiểu rằng tính mềm dẻo của những vật liệu này rất quan trọng đối với các đặc tính điện tử của chúng, tuy nhiên, không ai thực sự biết cách chuyển động nguyên tử mà chúng tôi đã khám phá ra là cơ sở cho những đặc điểm này”.

Perovskites là một loại vật liệu - có sự kết hợp phù hợp của các yếu tố - phát triển thành một cấu trúc tinh thể khiến chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng năng lượng. Khả năng hấp thụ ánh sáng và truyền năng lượng hiệu quả khiến chúng trở thành mục tiêu chung cho các nhà nghiên cứu phát triển các loại pin mặt trời mới. Chúng cũng mềm với độ mềm giống như vàng nguyên khối nên có thể dễ dàng bị móp. Điều này mang lại cho chúng khả năng chịu được các sai hỏng và tránh bị rạn nứt khi được chế tạo thành một màng mỏng.

Công thức được nghiên cứu nhiều nhất và đơn giản nhất có chứa nhóm halogen - bao gồm clo, flo hoặc brom - tạo cho chúng cái tên là halide perovskites. Trong cấu trúc tinh thể của perovskite, những halides này là những khớp nối gắn liền các họa tiết tinh thể bát diện với nhau.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã biết những điểm xoay này là yếu tố cần thiết để tạo ra các thuộc tính của perovskite, nhưng không ai có thể quan sát thấy cách chúng cho phép các cấu trúc xung quanh chúng tự động xoắn, xoay và uốn cong mà không bị vỡ, giống như một khuôn Jell-O bị lắc mạnh.

“Những chuyển động cấu trúc này nổi tiếng là rất khó xác định bằng thực nghiệm. Kỹ thuật được lựa chọn, được Olivier và các đồng nghiệp của ông thực hiện là tán xạ neutron, đi kèm với dụng cụ khổng lồ và nỗ lực phân tích dữ liệu”, Volker Blum, giáo sư kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Duke, người thực hiện mô hình lý thuyết của perovskites, không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết.

Trong nghiên cứu này, Delaire và các đồng nghiệp Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, Viện Khoa học và công nghệ quốc gia và Đại học Northwestern, lần đầu tiên tiết lộ động lực học phân tử quan trọng của halide perovskite (CsPbBr3) có cấu trúc đơn giản, được nghiên cứu phổ biến này.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu với một tinh thể đơn, cỡ lớn, kích cỡ centimet của halide perovskite. Sau đó, họ kiểm tra tinh thể bằng neutron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và tia X tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Bằng cách đo cách các neutron và tia X bật khỏi các tinh thể theo nhiều góc độ và ở các khoảng thời gian khác nhau, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cách các nguyên tử cấu thành chính nó dịch chuyển theo thời gian.

Sau khi có được các phép đo bằng mô phỏng máy tính, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cách mạng lưới tinh thể thực sự hoạt động như thế nào. Các họa tiết hình bát diện tám cạnh gắn kết với nhau thông qua các nguyên tử brom bị bắt xoắn chung trong các miền giống như cấu trúc dạng tấm và uốn cong liên tục theo phương thức rất giống chất lỏng.

Delaire cho biết: “Do cách các nguyên tử được sắp xếp theo các mô-típ bát diện chia sẻ các nguyên tử brom làm khớp nối, nên chúng có thể tự do quay và uốn cong. Nhưng chúng tôi phát hiện ra rằng những halide perovskites này 'mềm' hơn nhiều so với ở các nghiên cứu theo một số công thức khác. Thay vì ngay lập tức trở lại hình dạng ban đầu, chúng trở lại hình dạng rất chậm, gần giống như Jell-O hoặc chất lỏng so với một tinh thể rắn thông thường”.

Những phát hiện này rất có thể mở rộng với các công thức phức tạp hơn mà nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới hiện đang nghiên cứu.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-03-flexible-crystals-key-solar-energy.html, 16/3/2021