Pin được coi là phát minh vĩ đại, ứng dụng trong vô vàn thiết bị công nghệ ngày nay, bao gồm cả smartphone. Nhưng hiếm ai biết rằng, nếu không nhờ cảm hứng từ con vật có vẻ ngoài ghê sợ này, sẽ chẳng có chiếc điện thoại thông minh nào có đủ pin để chúng ta lướt cả ngày.
Pin của Volta
Khi nhu cầu về năng lượng di động của thế giới tăng vọt, nhiều nhà phát minh đã tìm cách thay thế công nghệ pin hiện tại bằng thứ gì đó tốt hơn.
Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã khai thác các nguyên lý điện hóa cơ bản khi ông phát minh ra cục pin đầu tiên vào năm 1800. Hiểu một cách đơn giản, sự kết hợp vật lý của hai vật liệu khác nhau, thường là kim loại, sẽ tạo ra phản ứng hóa học dẫn đến dòng electron từ vật liệu này sang vật liệu kia. Dòng electron đó đại diện cho năng lượng di động có thể được khai thác để tạo ra điện năng.
Vật liệu đầu tiên được sử dụng để sản xuất pin là đồng và kẽm. Những loại pin tốt nhất hiện nay –tạo ra công suất điện cao nhất ở kích thước nhỏ nhất có thể – kết hợp lithium với một trong nhiều hợp chất kim loại khác nhau.
Đã có những cải tiến ổn định qua nhiều thế kỷ, nhưng pin hiện đại vẫn dựa trên nguyên lý tương tự của Volta: ghép các vật liệu có thể tạo ra phản ứng điện hóa lại với nhau và lấy đi các electron được tạo ra.
Nhưng trước khi pin nhân tạo bắt đầu tạo ra dòng điện, các loài cá điện, như cá đuối điện ở Địa Trung Hải và đặc biệt là các loài lươn điện nước ngọt ở Nam Mỹ đã nổi tiếng là có khả năng tạo ra công suất điện đáng kinh ngạc.
Trên thực tế, các loài cá điện đã truyền cảm hứng cho Volta tiến hành nghiên cứu ban đầu mà cuối cùng dẫn đến việc tạo ra pin, và các nhà khoa học về pin ngày nay vẫn dựa vào những động vật phát điện này để tìm ý tưởng.
Cảm hứng từ lươn điện
Trước khi pin Volta ra đời, cách duy nhất để con người tạo ra điện là chà xát nhiều vật liệu khác với nhau, điển hình là lụa trên thủy tinh và thu tĩnh điện. Đây không phải là cách dễ dàng và thiết thực để tạo ra năng lượng điện hữu ích.
Volta biết cá điện có một cơ quan nội tạng chuyên biệt để tạo ra điện. Ông lý luận rằng việc bắt chước nguyên lý hoạt động này có thể tìm ra một cách mới để tạo ra điện.
Cơ quan điện của cá bao gồm các chồng tế bào dài trông rất giống cuộn tiền xu. Vì vậy, Volta đã cắt những chiếc đĩa giống như đồng xu từ những tấm vật liệu riêng biệt và bắt đầu xếp chúng theo những trình tự khác nhau để xem liệu sự kết hợp nào có thể tạo ra điện.
Những thí nghiệm xếp chồng này chỉ mang lại kết quả thất bại cho đến khi ông thử ghép các đĩa đồng với đĩa kẽm, đồng thời tách các cặp xếp chồng lên nhau bằng các đĩa giấy được làm ướt bằng nước muối.
Chuỗi giấy đồng-kẽm này ngẫu nhiên tạo ra điện và sản lượng điện tương ứng với chiều cao của chồng giấy. Volta nghĩ rằng ông đã khám phá ra bí mật về cách lươn tạo ra điện và tạo ra phiên bản tạo điện nhân tạo của chúng, vì vậy ban đầu ông gọi phát hiện của mình là "cơ quan điện nhân tạo". Tuy nhiên, bản chất vốn không đúng.
Điều gì thực sự khiến lươn có điện?
Các nhà khoa học ngày nay biết rằng phản ứng điện hóa giữa các vật liệu khác nhau mà Volta phát hiện không liên quan gì đến cách lươn điện tạo ra điện. Đúng hơn, con lươn sử dụng cách tiếp cận tương tự như cách các tế bào thần kinh của chúng ta tạo ra tín hiệu điện, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều.
Các tế bào chuyên biệt trong cơ quan điện của lươn bơm ion qua hàng rào màng bán thấm để tạo ra sự chênh lệch điện tích giữa bên trong và bên ngoài màng.
Khi các cổng vi mô trong màng mở ra, dòng ion di chuyển nhanh từ bên này sang bên kia của màng sẽ tạo ra dòng điện. Con lươn có thể đồng thời mở tất cả các cổng màng của nó theo ý muốn để tạo ra một luồng điện cực lớn, giải phóng theo cách có chủ đích lên con mồi.
Lươn điện không gây sốc cho con mồi đến chết; chúng chỉ làm choáng đối tượng bằng điện trước khi tấn công. Một con lươn có thể tạo ra dòng điện hàng trăm volt nhưng điện áp không đẩy đủ cường độ dòng điện trong thời gian đủ dài để giết chết con mồi. Mỗi xung điện từ lươn chỉ kéo dài vài phần nghìn giây và cung cấp ít hơn 1 amp, tương đương 5% cường độ dòng điện của hộ gia đình.
Điều này tương tự như cách hoạt động của hàng rào điện, cung cấp các xung điện cao áp rất ngắn nhưng có cường độ dòng điện rất thấp. Do đó, chúng đủ gây sốc nhưng không giết gấu hoặc những động vật xâm nhập khác muốn trèo qua.
Nó cũng tương tự như vũ khí sốc điện hiện đại, hoạt động bằng cách cung cấp xung điện áp cực cao (khoảng 50.000 volt) mang cường độ dòng điện rất thấp (chỉ vài milliamp).
Volta bên thí nghiệm của mình.
Nỗ lực bắt chước lươn
Giống như Volta, một số nhà khoa học điện hiện đại đang tìm cách biến đổi công nghệ pin với nguồn cảm hứng từ lươn điện.
Một nhóm các nhà khoa học đến từ Mỹ và Thụy Sĩ hiện đang nghiên cứu một loại pin mới lấy cảm hứng từ lươn.
Họ hình dung rằng loại pin mềm và dẻo này một ngày nào đó có thể hữu ích cho việc cung cấp năng lượng bên trong cho các bộ phận cấy ghép y tế và robot mềm. Nhưng nhóm thừa nhận còn một chặng đường dài phía trước.
"Các cơ quan điện ở lươn vô cùng tinh vi; chúng tạo ra năng lượng tốt hơn nhiều cách mà chúng ta tạo ra", Michael Mayer, thành viên nhóm từ Đại học Fribourg, than thở. Vì vậy, nghiên cứu về lươn vẫn tiếp tục.
Năm 2019, giải Nobel Hóa học đã được trao cho 3 nhà khoa học phát triển pin lithium-ion. Khi trao giải, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển khẳng định công trình của những người được trao giải đã "đặt nền móng cho một xã hội không dây, không sử dụng nhiên liệu hóa thạch".
Phần "không dây" là chính xác, vì pin lithium-ion hiện cung cấp năng lượng cho hầu như tất cả các thiết bị không dây cầm tay và smartphone là một trong số đó.
Cuối năm đó, các nhà khoa học từ Viện Smithsonian đã công bố phát hiện ra một loài lươn điện mới ở Nam Mỹ; đáng chú ý đây là máy phát điện sinh học mạnh nhất được biết đến trên Trái đất.
Các nhà nghiên cứu đã ghi lại sự phóng điện của một con lươn ở mức 860 volt, cao hơn nhiều so với loài lươn giữ kỷ lục trước đó với chỉ 650 volt.
Ngay khi con người đang tự hào khi tạo ra nguồn năng lượng di động mới nhất, lươn điện tiếp tục vượt mặt chúng ta bằng nguồn năng lượng dồi dào của chúng.