Vật liệu thông minh mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng toàn cầu

Polymer, hay nhựa Polymer, là cái tên không còn xa lạ với chúng ta. Kể từ khi được nhà hóa học Hendrick Baekeland lần đầu tiên chế tạo vào năm 1907, vật liệu từ polymer đã bùng nổ, khi có mặt ở khắp nơi. Chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong ngành năng lượng, khi được sử dụng nhiều trong pin mặt trời hữu cơ.

Tuy nhiên dần theo thời gian, vật liệu polymer đã cho thấy những hạn chế, đặc biệt là về mặt tái chế và tính bền vững.

Polymer là "con dao hai lưỡi"

Theo các nghiên cứu khoa học, hiện có 6,3 tỉ tấn rác thải polymer trên toàn cầu. Khối lượng này tương đương với 1 tỷ con voi châu Phi, và lớn hơn tổng khối lượng của bất kỳ loài động vật nào. Trong đó, chỉ có xấp xỉ 9% rác thải nhựa có thể tái chế để tái sử dụng.

GS Seth Marder, Giám đốc Viện Năng lượng tái tạo bền vững tại Đại học Colorado (Mỹ) cho biết, polymer là nguồn ô nhiễm đáng lo ngại, ảnh hưởng tới sức khỏe không chỉ của con người, mà toàn bộ hệ sinh thái trên Trái Đất. 

Trong đó, tình trạng đáng báo động được ghi nhận ở các đại dương cho thấy cần có phương án, chiến lược sử dụng vật liệu polymer một cách hiệu quả.

Thách thức của vật liệu polymer còn đến từ tính bền vững, khi chúng đa phần được chế tạo từ nguyên liệu hóa thạch. Mà các nguồn tài nguyên trên Trái Đất là hữu hạn.

Theo GS Marder, nếu chúng ta sử dụng vật liệu hóa thạch với quy mô hiện tại, nguồn tài nguyên này sẽ sớm rơi vào tình trạng cạn kiện. Tuy nhiên, cũng không thể loại bỏ hoàn toàn vật liệu polymer vì những đặc tính vượt trội của chúng.

Vị chuyên gia này cho biết, các nhà hoạch định đang hướng dần tới mô hình 3R, gồm Reduce (giảm khối lượng tiêu dùng), Reuse (tái sử dụng), và Recycle (tái chế) đối với vật liệu polymer. Tuy nhiên, điều này là chưa đủ, và cũng chưa phải phương án phát triển bền vững.

Đồng ý với quan điểm này, GS Martin Andrew Green, Giám đốc sáng lập Trung tâm Quang điện Tiên tiến tại Đại học New South Wales (Úc), Thành viên Hội đồng Giải thưởng & Chủ nhân Giải thưởng Chính VinFuture 2023, cho rằng để giải quyết bài toán này, nhân loại cần phát triển các dạng vật liệu mới sử dụng cho công nghệ năng lượng tái tạo. 

Điều này mang đến 2 ưu điểm, đó là giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đồng thời góp phần đưa chúng ta tới một tương lai với nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

"Cuộc cách mạng năng lượng 3.0 là cuộc cách mạng năng lượng mặt trời, với những vật liệu mới có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao và chi phí thấp chưa từng có", GS Green khẳng định.

Polymer sẽ sớm bị thay thế bởi các vật liệu thông minh

GS Martin Andrew Green cho biết, những nghiên cứu về vật liệu mới, hay vật liệu thông minh, đang mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho pin mặt trời thế hệ mới. Những vật liệu này có tiềm năng vượt trội so với silicon truyền thống (một dạng polymer tổng hợp trơ) về nhiều mặt. 

Lợi thế của vật liệu này là khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, cho phép sản xuất pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Tại đó, hiệu suất cao hơn sẽ giúp giảm chi phí từ sản xuất đến vận chuyển, lắp đặt và cuối cùng là tái chế và xử lý.

"Trong khi tính bền vững đang trở thành ưu tiên hàng đầu, thì hiệu suất chính là động lực thúc đẩy tiến bộ công nghệ", GS Green cho biết. Ông cũng khẳng định, các dạng vật liệu mới sẽ sớm thay thế toàn bộ sự phụ thuộc vào silicon.

Tuy nhiên, việc tăng cường hiệu suất có thể kéo theo gia tăng tiêu thụ. Đây là cảnh báo từ GS Richard Henry Friend, Đại học Cambridge (Anh), Chủ tịch Hội đồng Giải thưởng VinFuture.

Ông nhấn mạnh: "Chúng ta cần phải đánh giá toàn diện vòng đời của vật liệu và thiết kế các hệ thống năng lượng hiệu quả nhất có thể. Đặt hiệu suất lên hàng đầu có thể giúp ta đạt được bước tiến đáng kể hướng tới tương lai bền vững, song cũng cần kiểm soát gia tăng tiêu thụ."

GS Marina Freitag, chuyên gia về năng lượng tới từ Đại học Newcastle, Anh, thì cho rằng, vật liệu bền vững không chỉ đơn thuần là vật liệu có thể tái chế hay phân hủy sinh học. Bà nhấn mạnh việc phải vượt ra khỏi những định nghĩa truyền thống và tiếp cận vấn đề một cách toàn diện hơn.

"Vật liệu bền vững cần được thiết kế với tư duy "bền vững là trên hết", đảm bảo hiệu quả cao trong suốt vòng đời, thân thiện với môi trường và có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện sử dụng khác nhau", bà cho biết.

GS Marina Freitag cũng cho biết, sự ứng dụng AI trong nghiên cứu khoa học vật liệu đã và đang tạo ra những khác biệt, khi đẩy nhanh quá trình xác định, dự đoán các đặc tính của vật liệu, cũng như tối ưu hóa hiệu năng, độ ổn định của chúng.

Không chỉ vậy, AI cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thời gian, nguồn lực trong quá trình R&D, bằng cách chọn ra những hướng đi cần ưu tiên với vật liệu bền vững.

Là chuyên gia hàng đầu về năng lượng, GS Freitag tập trung vào phát triển các công nghệ mới ứng dụng ánh sáng, kết hợp với vật liệu phối trí nhằm giải quyết những thách thức quan trọng trong lĩnh vực, đặc biệt là liên quan đến tính bền vững, ổn định và hiệu suất của pin mặt trời lai (Hybrid Photovoltaic). 

Những ý tưởng đột phá này đã mang lại cho bà sự công nhận rộng rãi trên trường quốc tế, trong đó phải kể đến Giải thưởng Nhà Nghiên cứu Trẻ Göran Gustafsson năm 2019 và Giải thưởng Harrison-Meldola danh giá năm 2022 của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia.

Tại đó, GS Freitag được xem là một trong những người tiên phong dẫn đầu làn sóng phát triển thiết bị quang điện tử bền vững trên thế giới.

Nhận lời đến Việt Nam tham dự Tuần lễ Khoa học Công nghệ VinFuture 2024, GS Freitag cho biết bà đánh giá cao sứ mệnh của Giải thưởng VinFuture trong việc kết nối khoa học với đời sống. 

"Điều khiến tôi ấn tượng ở VinFuture là sự tập trung vào những đột phá khoa học có khả năng ứng dụng thực tiễn, giải quyết các vấn đề của thế giới thực. VinFuture không chỉ vinh danh các nhà khoa học xuất sắc, mà còn tạo ra những hình mẫu truyền cảm hứng cho thế hệ trẻ", GS Freitag chia sẻ. 

Cũng theo nhà khoa học kỳ cựu, các sự kiện quốc tế do VinFuture tổ chức là cơ hội tuyệt vời để các nhà khoa học đến từ nhiều quốc gia trên thế giới gặp gỡ và trao đổi kiến thức. 

"Tôi tin tưởng rằng hợp tác quốc tế là điều kiện tiên quyết để giải quyết những thách thức toàn cầu và thúc đẩy tiến bộ khoa học công nghệ", GS Freitag khẳng định.