Vật liệu polyme áp điện điển hình ngày nay có tên gọi tắt là PVDF (Polyvinylidene Fluoride). Cấu tạo phân tử của loại polyme này có dạng các chuỗi dài như vẽ ở hình 1. Chuỗi phân tử như vậy gồm có nhiều lưỡng cực điện, bình thường chúng nằm lộn xộn (hình 1a). Nhưng khi có điện trường đủ mạnh tác dụng, các lưỡng cực định hướng theo điện trường làm cho ở các mặt bên xuất hiện điện tích, tức là có hiệu điện thế. Cách sắp xếp có trật tự của các lưỡng cực này cũng làm cho tấm polyme bị co giãn (hình 1b). Ngược lại nếu tác dụng lực làm cho tấm polyme áp điện bị co giãn, xu hướng sắp xếp có trật tự của các lưỡng cực dưới tác dụng của lực cơ cũng làm cho ở hai bên bề mặt polyme áp điện xuất hiện điện tích, tức là sinh ra hiệu điện thế. Đây là vật liệu polyme nên dễ sản xuất ra thành tấm mỏng, to nhỏ, dày mỏng tùy ý. Để tăng hiệu suất người ta lại có thể dán các lá mỏng polyme áp điện lại với nhau và ghép các cực theo kiểu song song hay nối tiếp để có lợi về mặt điện tích hoặc điện thế.
Ra đời từ năm 1969, polyme áp điện đã được sử dụng ở nhiều lĩnh vực, thí dụ:
- Làm cảm biến: dán lá polyme áp điện vào vật cần đo biến dạng, nhờ mỏng và đàn hồi tốt nên không ảnh hưởng đến cơ tính của vật cần đo. Khi có biến dạng ở lá polyme xuất hiện hiệu thế nên dễ dàng khuyếch đại bằng xử lý kỹ thuật điện tử, nhờ đó dễ theo dõi biến dạng một cách chính xác tự động. Tương tự có thể dùng polyme để đo áp suất, sóng âm v.v…
- Làm micrô và loa: đối với micrô, tấm polyme áp điện đồng thời là màng rung chuyền tín hiệu âm thanh (dao động cơ) thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại. Vì màng polyme áp điện mỏng nên micrô rất nhạy. Trường hợp loa thì màng polyme áp điện chính là màng loa, dòng điện âm tần dẫn đến điện cực trực tiếp làm rung màng loa. Nhờ đó kích thước của loa nhỏ gọn và dẹt, không cồng kềnh như loa điện động.
- Một ứng dụng rất đặc biệt của polyme áp điện là biến cơ năng thành điện năng một cách rất gọn nhẹ. Người ta đã lót polyme áp điện dưới các tấm thảm ở một nhà trẻ, khi trẻ con chạy chơi trên thảm các tấm áp điện bị lõm xuống, phồng lên sinh ra điện qua chỉnh lưu rồi tích vào acquy, thừa công suất để thắp sáng bằng đèn LED.
Tương tự như vậy đã có những ý định làm một cái cây với các cành lá có dán polyme áp điện, gió thổi, cành lá rung rinh là đủ sinh ra điện để thắp sáng.
Các máy móc điện tử hiện nay có nhiều công dụng nhưng gọn nhẹ tiêu thụ ít điện điển hình là điện thoại di động hay máy định vị toàn cầu GPS. Các loại máy này trong nhiều trường hợp là vật bất ly thân, phải mang theo người đi xa trong nhiều người. Cách giải quyết nguồn điện cho các loại máy này là dùng pin nạp, dùng điện mạng (220V) để nạp cho pin no, rồi dùng máy trong một hay hai ba ngày, hết điện thì nạp lại. Tuy nhiên, đối với những chuyến đi xa, đến vùng hẻo lánh, chưa chắc đã chủ động có nguồn điện lưới để nạp. Vì vậy có xu hướng làm máy phát điện gọn nhẹ mang theo để nạp điện trong các chuyến đi điền dã dài ngày. Một hướng đang được tích cực nghiên cứu, cải tiền là dùng polyme áp điện làm nguồn điện tự túc.
Sau đây là thí dụ về nguồn điện dùng polyme áp điện để lót vào đế giày, khi đi là sinh ra điện.
Người ta dùng 40 lá PVDF, mỗi lá dày 28 µm, khi dán lại dày tổng cộng 28 µm x 40 – 1,1mm. Nếu cắt vừa diện tích đế giày thì diện tích của tấm polyme áp điện nhiều lớp đó chiếm khoảng 150cm 2. Với đề giày thể thao mềm có thể đặt xen màng polyme áp điện vào giữa đế rồi dán kín chỉ để hai đầu dây nối với điện cực lòi ra phía sau gót giày là có thể sử dụng điện phát ra khi đi bộ ở mọi thời tiết. Tính toán ra thì một người nặng 60kg đi với tốc độ vừa phải, giày có thể sinh ra điện với công suất 5W. Thực tế công suất phát ra còn phụ thuộc vào dáng điệu đi, khoan thai hay nặng gót v.v… nhưng thí nghiệm cho thấy điện phát ra đủ để thắp sáng LED như kiểu giày trẻ con đi thì đèn nháy sáng hoặc nghe được đài. Có thể một máy có hai bộ pin nạp, khi lắp bộ pin nạp này vào máy để dùng thì lắp bộ pin nạp kia vào đế giày để khi đi bộ nạp điện dự trữ, luôn luôn chủ động .
Về cách tạo ra nguồn điện nhỏ để tự túc về điện hiện nay đã có nhiều giải pháp như dùng pin mặt trời, pin nhiệt điện, quay manhêtô, cho nam châm chuyển động qua lại quanh ống dây v.v… mỗi cách có những ưu điểm và hạn chế riêng. Dùng vật liệu áp điện để tạo ra nguồn điện là một giải pháp mới, hiện nay có nhược điểm là hiệu suất còn thấp nhưng có rất nhiều ưu điểm như thuận tiện, gọn nhẹ, không phụ thuộc thời tiết v.v… do đó đang có nhiều hứa hẹn và đang có cuộc chạy đua thiết kế máy phát điện gọn nhẹ có hiệu suất cao.
Nguồn: Vật lý và Tuổi trẻ, số 3/2008
