Một hợp kim entropy cao được chụp bởi kính hiển vi điện tử

Nâng cao hiệu quả năng lượng là yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang một hệ thống năng lượng bền vững, khi đó sẽ tiết kiệm được một lượng lớn năng lượng. Ví dụ, phần năng lượng diesel thực dùng để cung cấp cho xe tải chỉ gần một nửa, phần còn lại bị mất chủ yếu dưới dạng nhiệt. Nhiều quy trình công nghiệp cũng đang đối mặt với những vấn đề về hao phí nhiệt quá mức.

Đó là lý do tại sao nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm cách phát triển các vật liệu nhiệt điện - những vật liệu mà có thể chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng. Tuy nhiên, đó không phải là nhiệm vụ dễ dàng.

Để chuyển đổi nhiệt thành điện một cách hiệu quả, các vật liệu cần phải có khả năng dẫn điện tốt, nhưng đồng thời phải dẫn nhiệt kém. Đối với nhiều vật liệu, điều đó là mâu thuẫn.

Anders Palmqvist, giáo sư hóa học vật liệu, người đang tiến hành nghiên cứu về các vật liệu nhiệt điện cho biết: "Một thách thức lớn đó là việc tạo ra những vật liệu nhiệt điện ổn định và hoạt động tốt ở nhiệt độ cao".

Lần đầu tiên ông gặp nhà khoa học vật liệu Sheng Guo tại một cuộc hội thảo liên ngành về các vật liệu cho những ứng dụng năng lượng tại Chalmers. Guo nghiên cứu một loại vật liệu tương đối mới được gọi là hợp kim entropi cao, tại Khoa Vật liệu và Công nghệ Sản xuất ở Chalmers. Hợp kim entropy cao bao gồm ít nhất 5 thành phần, thường là kim loại, với số lượng tương đối giống nhau. Thậm chí, chúng ổn định cả ở nhiệt độ cao, và những đặc tính của hợp kim này có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các thành phần hoặc số lượng các thành phần.

Palmqvist cho biết: "Có vẻ như hợp kim entropy cao là loại vật liệu mới, phù hợp với việc thử nghiệm trong các vật liệu nhiệt điện", và "Theo như tôi biết, trước đây chưa có ai thử nghiệm loại vật liệu này, vì vậy chúng tôi quyết định bắt đầu cùng nhau thực hiện dự án". "Đây là một mô hình hiệu quả, với ba nhà nghiên cứu đứng đầu về các lĩnh vực, họ có thể hỗ trợ nhau rất tốt".

Các nhà khoa học đã sản xuất và nghiên cứu các hợp kim entropy cao gồm nhôm, coban, crom, sắt và niken, với hàm lượng nhôm khác nhau. Chúng có thể nâng cao chất lượng như khả năng dẫn nhiệt điện tốt hơn, và các nhà khoa học kết luận rằng hợp kim entropy cao có tiềm năng phát triển thành các vật liệu nhiệt điện rất tốt.

Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Journal of Applied Physics và bài viết đã được đọc nhiều nhất trong tháng 1/2016 và các biên tập viên đã dán nhãn cho “bài nghiên cứu thú vị”.

Nhiệm vụ hiện nay là tiếp tục phát triển loại vật liệu này và cố gắng hiểu rõ công thức lý tưởng của hợp kim entropy cao và những thuộc tính nhiệt điện tối ưu của chúng. Erhart giải thích, quá trình diễn ra chậm do rất nhiều yếu tố xung quanh, đồng thời điều tra toàn bộ các nguyên tố trong bảng hộ thống tuần hoàn. Tuy nhiên nếu hiểu rõ về lý thuyết, chúng ta có thể dự đoán được nguyên tố nào thú vị nhất.

Dự án hợp tác là một trải nghiệm tích cực cho các nhà khoa học Chalmers, những người đang tư duy các cách để phát triển thêm nghiên cứu của họ. Họ cũng được mời cộng tác với Đại học Uppsala và Viện Công nghệ Hoàng gia KTH.

Palmqvist cho biết: "Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đang quan tâm nhiều nhất vào việc chuyển đổi nhiệt thải thành điện". "Nhưng nếu chúng ta tạo ra một vật liệu nhiệt điện thực sự tốt, các ứng dụng tiềm năng sẽ được phát triển. Ví dụ, chúng ta có thể sản xuất điện như một sản phẩm phụ trong các ngành công nghiệp như nhà máy sản xuất thép".