Điều đó giúp tạo ra loại pin hạt nhân an toàn với thời hạn sử dụng đến 100 năm dành cho máy tạo nhịp, chip đo độ đường siêu nhỏ hoặc cảm biến huyết áp, hệ thống viễn trắc, micro-robot, cũng như các cấu trúc làm việc tự động dài hạn, — như thông tin từ bộ phận báo chí của trường đại học cho biết.
Kết quả của công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters.
Vấn đề thu nhỏ
Các nghiên cứu về thuộc tính của đối tượng có kích thước nano hiện nay đang thu hút sự quan tâm ngày càng tăng của các chuyên gia vì xu thế thu nhỏ các thiết bị kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử học nano. Thành tựu hiện đại trong lĩnh vực chế tạo các hệ thống vi mô và nano cơ điện tử (Microelectromechanical systems — MEMS, Nanoelectromechanical systems — NEMS) kết hợp trong một thiết bị cả nano điện tử và thành tố cơ học, như bộ truyền động, máy bơm hoặc động cơ, có thể rất triển vọng dành cho việc tạo ra các chip cảm biến vật lý, sinh học hoặc hóa học siêu nhỏ.
Tuy nhiên, việc ứng dụng đại trà những thiết bị như vậy bị cản trở bởi việc thiếu nguồn cung cấp năng lượng thu nhỏ để cấp điện cho các hệ thống MEMS và NEMS.
Hiện nay, các nhà khoa học đang tích cực tìm hiểu khả năng thu nhỏ pin lithium-ion thông thường, pin mặt trời, pin nhiên liệu và các loại hình tụ điện khác nhau. Tuy nhiên, kích thước của những nguồn cung cấp năng lượng như vậy vẫn là quá cồng kềnh đối với việc tạo ra các hệ thống vi mô và nano thực thụ.
Một lối tiếp cận khác tới vấn đề cung cấp nguồn điện dinh dưỡng hiện đại và triển vọng của MEMS và NEMS gắn với việc sử dụng pin đồng vị phóng xạ.
Pin đồng vị phóng xạ hay là pin hạt nhân cũng là pin nguyên tử — nguồn điện mà trong đó năng lượng từ sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố siêu bền — hạt nhân nguyên tử — được chuyển hóa thành điện năng. Chúng có đặc trưng là mật độ năng lượng lớn dày đặc trên một đơn vị khối lượng và thể tích. Thời kỳ phóng năng lượng ổn định biến đổi trong phạm vi rộng rãi những lựa chọn của nuclide hạt nhân. Pin đồng vị phóng xạ có thể hoạt động lâu dài và ổn định, không cần phải bảo dưỡng và không gây tiếng ồn.
Đặc tính độc đáo của niken-63
Ngày nay, một trong những phương cách ngắn nhất để chuyển hóa năng lượng từ phân rã hạt nhân thành điện năng được cho là biến đổi nhiệt điện. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu khai thác cả những nguồn năng lượng betavoltaic, với quan tâm lớn dành để sử dụng thực tế. Vấn đề là ở chỗ, khi sử dụng nguồn điện đồng vị phóng xạ cực nhỏ phát ra bức xạ beta-mềm, có thể dễ dàng tạo ra hệ thống bảo vệ vật lý cho người dùng và các chủ thể lân cận khỏi nhiễm phóng xạ. Vì thế, những nguồn như vậy được coi là đầy triển vọng hứa hẹn cho ứng nghiệm dân dụng.
Các nhà khoa học Nga ở MEPhI đã nghiên cứu thuộc tính điện vật lý của màng phim nanocluster niken và lựa chọn những thông số thực nghiệm tối ưu để chế tạo nguồn cấp năng lượng hiệu quả chuyển đổi phân rã niken-63 thành điện năng.
Đồng vị phóng xạ niken-63 là một trong những hạt nhân phóng xạ nhiều tiềm năng nhất trong beta-voltaic. Chủ thể phát bức xạ beta mềm này có chu kỳ bán phân rã dài là 100,1 năm. Do đó, niken-63 là thành tố độc đáo, thích hợp cho các hệ thống năng lượng dài hạn, không đòi hỏi tốn phí năng lượng cao.
Từ quan điểm vật liệu học, niken cũng là thứ kim loại đủ tốt — dẻo, tương đối trơ, dễ xử lý; trong công việc với nó không cần container riêng để vận chuyển và bảo quản.
Theo nhận xét của các nhà khoa học, việc nâng cao hiệu quả của bộ chuyển đổi năng lượng phân rã beta của niken-63 thành điện năng, cũng như tìm kiếm các hệ thống vật lý đối trọng thay thế là nhiệm vụ lâu dài của khoa học hiện đại.
Những lối tiếp cận mới của các chuyên gia khoa học MEPhI
Các nhà nghiên cứu đã thiết lập hệ thống vật lý nguyên bản, cho phép dẫn dắt hiệu quả các electron thứ cấp trực tiếp bên trong màng phim niken có cấu trúc nano và gia tăng đáng kể tín hiệu điện, gây cảm ứng bởi dòng thác vô số lần va chạm không đàn hồi của hạt nhân β, — như thông báo của PGS Piotr Borysyuk từ Bộ môn Các vấn đề đo lường vật lý-kỹ thuật thuộc Viện công nghệ laser và plasma của MEPhI.
"Dưới góc độ thực hiện thí điểm, hệ thống này tương đối đơn giản và là kiểu quần thể tập trung dày đặc nanoclusters niken với phân bố gradient khí áp theo kích thước của các hạt nano lắng đọng trên bề mặt rộng của khoảng điện môi — oxit silic", — chuyên gia khoa học cho biết.
Qua tiến hành nghiên cứu các nhà khoa học đi đến kết luận rằng sự hình thành màng phim nanocluster niken-63 với phân bố gradient khí áp theo kích thước hạt nano mở ra khả năng độc đáo để tích hợp cùng lúc hai quá trình quan trọng. Trước hết, có thể tạo lớp phủ với dị biệt tiềm năng cố định, phân định bởi sự khác nhau về kích thước hạt nano theo hướng đã chọn. Thứ hai, có thể chuyển đổi năng lượng phân rã beta của niken-63 thành dòng điện tử mà không cần dùng các hệ thống bán dẫn bổ sung khó thực hiện.
Kết quả mà các nhà khoa học thu được đã khẳng định rằng màng nano niken gradient hình thành có thuộc tính rất độc đáo. Lĩnh vực ứng dụng nguồn đồng vị phóng xạ với chuyển đổi nhiệt điện thực tế là vô hạn: từ pin hạt nhân kích thước siêu nhỏ dành cho các hệ thống vi mô và nano cơ điện tử đến máy tạo nhịp, chip đường siêu nhỏ hoặc cảm biến huyết áp, hệ thống viễn trắc, micro-robot với chức năng và chuyên ngành khác nhau, cũng như các cấu trúc có khả năng làm việc tự động dài hạn trong không gian vũ trụ, vùng sâu vùng xa và khu vực Cực Bắc.
Công trình nghiên cứu của các nhà khoa học MEPhI được thực hiện trong khuôn khổ bảo trợ của Quỹ Khoa học Nga.
