Phát hiện độc đáo từ kim cương: Tạo ra điện năng khổng lồ

Là chất cứng nhất trên thế giới, kim cương được sử dụng rộng rãi như các công cụ công nghiệp và thậm chí có thể được biến đổi thành chất bán dẫn - Ảnh: Nikkei

Bài liên quan

Nga sắp bán đấu giá viên kim cương 242 carat, kích cỡ bằng quả bóng bàn

Đánh rơi nhẫn kim cương trên máy bay: Nữ hành khách may mắn được trả lại

"Đây là một tinh thể tuyệt đẹp. Chúng ta có thể khai thác tiềm năng khổng lồ của kim cương", Satoshi Koizumi, người đứng đầu Nhóm nghiên cứu bán dẫn băng tần rộng tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản cầm một viên pin nguyên mẫu có màu của một viên kim cương thô do nhóm sản xuất, chia sẻ với Nikkei Asian.

Những viên pin này sử dụng kim cương nhân tạo để tạo ra điện năng khi đặt trong trường phóng xạ. Nếu có thể kiểm soát và ngăn chặn sự phóng xạ bằng cách bọc những viên pin này trong nhôm hoặc các tấm kim loại khác, thì chúng có thể được đưa vào sử dụng.

Là chất cứng nhất trên thế giới, kim cương được sử dụng rộng rãi như các công cụ công nghiệp và thậm chí có thể được biến đổi thành chất bán dẫn. Nhóm nghiên cứu đã sản xuất một van áp suất hai cực diode bán dẫn, một trong những thiết bị bán dẫn đơn giản nhất, bằng cách gắn một màng kim cương mỏng vào đế kim cương để tạo ra điện.

Pin kim cương hoặc pin betavoltaic có thể tạo ra điện miễn là chúng ở trong trường phóng xạ, nơi chúng có thể nhận tia beta từ các đồng vị như carbon-14 và niken-63. Những loại pin này có tuổi thọ cao như vậy là do cacbon-14 và niken-63 phân hủy một nửa trong khoảng 5.700 năm và 100 năm tương ứng.

Sử dụng cacbua silicon, các công ty Mỹ và các công ty khác đã đưa pin betavoltaic vào sử dụng thực tế. Mặc dù kim cương có tốc độ trao đổi nhiệt và cacbua silic cao hơn, nhưng việc sản xuất chất bán dẫn từ kim cương khó hơn.

Pin kim cương do Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS) sản xuất là thành quả của công nghệ và bí quyết mà viện nghiên cứu và phát triển quốc gia đã tích lũy từ những năm 1990 trong lĩnh vực này. Tỷ lệ trao đổi nhiệt của vật liệu được sử dụng là khoảng 28%, cao nhất thế giới và gần với giới hạn lý thuyết, mặc dù ở cấp độ nguyên tố.

Nhóm nghiên cứu tại NIMS đã sử dụng điện tử, được sử dụng bởi các thiết bị như kính hiển vi điện tử, thay vì tia beta để sản xuất điện nhưng có kế hoạch sử dụng niken-63 từ bây giờ.

Một vấn đề lớn mà các nhà phát triển vẫn chưa giải quyết được là làm thế nào để làm cho pin hiệu quả hơn bằng cách tăng cường sản lượng điện. Hiện tại, những viên pin này chỉ tạo ra điện năng micro-watt (micro-watt bằng một phần triệu watt).

Mặc dù vậy, tất cả đều có thể thấy được tiềm năng của pin. Vào năm 2020, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh và Đại học Bristol cho biết họ đang nghiên cứu việc sử dụng carbon-14 tồn tại rất nhiều trên bề mặt than chì được sử dụng trong sản xuất điện hạt nhân có thể thu được khi các nhà máy như vậy bị tháo dỡ.

Nước Anh được cho là đang xem xét sản xuất nhiều pin kim cương từ việc tháo dỡ các nhà máy này. Mặc dù không có thông tin chi tiết về kế hoạch của nó, nhưng nếu nó thành công, nó sẽ có thể tạo ra điện trong hàng nghìn năm.

Pin hạt nhân bao gồm một loại sử dụng nhiệt từ plutonium. Những loại pin như vậy được lắp đặt trong các tàu thăm dò không gian và mặc dù chúng tạo ra một lượng điện tương đối lớn nhưng rất khó xử lý plutonium.

Ngược lại, pin kim cương có khả năng chịu nhiệt cao và có cấu tạo đơn giản hơn.

"Chúng có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ cao và việc sử dụng chúng trong các thiết bị không gian, máy thăm dò khoáng sản và một số những lĩnh vực khác là có thể tưởng tượng được", Koizumi của NIMS cho biết.