Một mẫu tấm vật liệu hình vuông gồm năm lớp ghép lại của vật liệu cách nhiệt gần như trong suốt mới có tên MOCHI, do các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder phát triển. Ảnh: Glenn J. Asakawa/CU Boulder

Vật liệu này có tên là Mesoporous Optically Clear Heat Insulator (MOCHI – vật liệu cách nhiệt trong suốt quang học dạng mao quản). MOCHI có thể được sản xuất dưới dạng tấm dày hoặc dạng màng mỏng để dán vào mặt trong của cửa sổ. Ở thời điểm hiện tại, MOCHI mới chỉ được chế tạo trong phòng thí nghiệm và chưa được thương mại hóa.

Các nhà nghiên cứu cho biết vật liệu này bền và gần như hoàn toàn trong suốt. Độ trong suốt đó cho phép ánh sáng đi qua mà không làm thay đổi tầm nhìn, một lợi thế lớn so với nhiều giải pháp cách nhiệt hiện nay.

Ivan Smalyukh, tác giả chính của nghiên cứu này và là giáo sư vật lý tại CU Boulder, cho biết: “Để ngăn trao đổi nhiệt, bạn có thể ốp rất nhiều vật liệu cách nhiệt vào tường, nhưng cửa sổ thì cần phải trong suốt. Việc tìm ra vật liệu cách nhiệt mà vẫn trong suốt thực sự rất khó.”

Smalyukh và các cộng sự đã công bố nghiên cứu này trên tạp chí Science vào ngày 11 tháng 12.

Các khối vật liệu MOCHI với kích thước khác nhau. Ảnh: Glenn J. Asakawa/CU Boulder

Vì sao cửa sổ là thách thức lớn về năng lượng

Các tòa nhà ở mọi quy mô (từ nhà ở đơn lẻ đến các cao ốc văn phòng lớn) tiêu thụ khoảng 40% tổng năng lượng được sản xuất trên toàn cầu. Một phần đáng kể năng lượng này bị thất thoát khi nhiệt thoát ra ngoài qua cửa sổ vào mùa lạnh, hoặc xâm nhập vào nhà khi trời nóng.

Nhóm nghiên cứu này phát triển MOCHI với mục tiêu giảm thiểu sự trao đổi nhiệt liên tục đó.

MOCHI được tạo ra từ một loại gel silicone có cấu trúc bên trong đặc biệt. Bên trong gel là một mạng lưới dày đặc các lỗ rỗng siêu nhỏ, có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng của một sợi tóc người. Các khoang chứa đầy không khí này có khả năng ngăn nhiệt hiệu quả đến mức một tấm MOCHI dày chỉ 5mm vẫn cho phép người dùng hơ ngọn lửa vào mà không bị bỏng.

Smalyukh, đồng thời là nghiên cứu viên tại Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững (RASEI) của CU Boulder, cho biết: “Bất kể nhiệt độ bên ngoài thay đổi như thế nào, chúng tôi muốn mọi người có thể duy trì nhiệt độ thoải mái bên trong nhà mà không phải lãng phí năng lượng”.

Vật liệu cách nhiệt cửa sổ mới mang tên MOCHI, được gắn lên một tấm nhựa mỏng. Ảnh: Glenn J. Asakawa/CU Boulder

“Phép màu bong bóng” và việc kiểm soát không khí ở cấp vi mô

Smalyukh giải thích rằng hiệu suất của MOCHI phụ thuộc vào cách tạo hình và sắp xếp chính xác các túi không khí cực nhỏ bên trong vật liệu.

Vật liệu mới này có một số điểm tương đồng với aerogel — loại vật liệu cách nhiệt đang được sử dụng rộng rãi hiện nay (NASA sử dụng aerogel trong các xe thám hiểm sao Hỏa để cách nhiệt cho thiết bị điện tử). Aerogel cũng chứa các lỗ rỗng chứa không khí, nhưng các lỗ này phân bố ngẫu nhiên và làm tán xạ ánh sáng, nên aerogel thường có vẻ ngoài mờ đục.

Thay vì đi theo hướng đó, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tạo ra một vật liệu vừa cách nhiệt tốt vừa giữ được độ trong suốt quang học.

Để tạo MOCHI, các nhà khoa học cho thêm các phân tử chất hoạt động bề mặt vào dung dịch lỏng. Các phân tử này tự nhiên kết tụ thành các cấu trúc mỏng, giống như sợi chỉ. Các phân tử silicon trong dung dịch sau đó bám vào bề mặt của những sợi chỉ đó.

Ở các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu loại bỏ các cấu trúc dựa trên chất tẩy rửa và thay thế chúng bằng không khí. Phần còn lại là một khung silicone bao quanh hệ thống các kênh chứa không khí cực nhỏ và phức tạp. 

Tổng thể, không khí chiếm hơn 90% thể tích của MOCHI.

MOCHI làm chậm dòng truyền nhiệt như thế nào

Nhiệt truyền qua chất khí theo cách giống như chơi bi-a. Khi các phân tử khí nhận năng lượng, chúng va chạm vào nhau và truyền nhiệt thông qua những va chạm đó.

Tuy nhiên, bên trong MOCHI, các lỗ rỗng nhỏ đến mức các phân tử khí không thể va chạm tự do với nhau. Thay vào đó, chúng liên tục đập vào thành lỗ rỗng, điều này làm giảm mạnh lượng nhiệt có thể truyền qua vật liệu.

Mặc dù có khả năng cách nhiệt rất tốt, MOCHI chỉ phản xạ khoảng 0,2% ánh sáng chiếu vào, cho phép gần như toàn bộ ánh sáng khả kiến đi xuyên qua.

Ứng dụng tương lai và tiềm năng thương mại

Nhóm nghiên cứu tin rằng vật liệu này có thể được sử dụng trong nhiều công nghệ khác ngoài cửa sổ. Một khả năng là làm hệ thống thu nhiệt từ ánh nắng mặt trời và chuyển hóa thành nguồn năng lượng bền vững với chi phí thấp.

Smalyukh cho biết: “Ngay cả trong những ngày nhiều mây, bạn vẫn có thể thu được một lượng nhiệt đáng kể và dùng để làm nóng nước hoặc sưởi ấm không gian bên trong tòa nhà”.

MOCHI chưa được kỳ vọng sẽ sớm có mặt trên thị trường. Tuy nhiên, Smalyukh lạc quan rằng các phương pháp sản xuất có thể được đơn giản hóa theo thời gian, có thể tạo ra MOCHI với chi phí tương đối thấp, giúp củng cố tiềm năng thương mại hóa của nó trong tương lai.