Tạp chí Nature Sustainability của Đức số cuối tháng 1-2023 đăng nghiên cứu mới của Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) thuộc Đại học Chicago, Mỹ, phát triển thành công một vật liệu xây dựng mới, có thể biến màu tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, vừa tiết kiệm năng lượng vừa cải thiện nhiệt độ cho các tòa nhà.

Cơ sở nghiên cứu của PME

Điều chỉnh nhiệt bức xạ có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng để sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) trong các tòa nhà, do đó góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu biến đổi khí hậu. Electrochromism là một hiện tượng trong đó vật liệu thể hiện sự thay đổi màu sắc có thể giúp kiểm soát sự cân bằng nhiệt của các tòa nhà để đáp ứng với các điều kiện thời tiết thay đổi thất thường. Tuy nhiên, việc triển khai nó phần lớn bị giới hạn ở các chế độ bước sóng khả kiến và cận hồng ngoại.

Về mặt kỹ thuật, Electrochromic (điện sắc) hiểu nôm na là một công nghệ lớp phủ đặc biệt trên kính, sử dụng hợp kim vô hình được gọi là oxit vonfram. Khi oxit vonfram được phủ lên thủy tinh, bề mặt của tấm thủy tinh đó sẽ có khả năng dẫn điện. Điện tích truyền qua có thể thay đổi thành phần của các phân tử thủy tinh, từ đó tạo ra vô số hiệu ứng màu sắc.

Các nhà khoa học ở PME đã phát triển một thiết kế điện sắc linh hoạt trong nước để sử dụng làm vỏ bọc tòa nhà dựa trên điện cực dẫn điện trong suốt dải cực rộng graphene và định vị điện cực đồng thuận nghịch, trong đó độ phát xạ nhiệt có thể được điều chỉnh để thay đổi trong khoảng từ 0,07 - 0,92 với độ bền cao.

Mô phỏng năng lượng tòa nhà cho thấy rằng thiết kế của PME dưới dạng vỏ bọc tòa nhà có thể tiết kiệm mức tiêu thụ năng lượng HVAC. Dự án của PME đề xuất một lộ trình khả thi để điều chỉnh nhiệt bức xạ cho HVAC tiết kiệm năng lượng hơn và giải quyết một số vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu.

Vật liệu "tắc kè hoa" giúp tiết kiệm năng lượng

Loại vật liệu thông minh này cho phép duy trì nhiệt độ trong một tòa nhà mà không cần tiêu tốn nhiều năng lượng thông qua cơ chế thích nghi với điều kiện thời tiết bên ngoài, giống như một con tắc kè hoa thích nghi với môi trường sống.

Qua nghiên cứu, nhóm đề tài phát hiện thấy loài tắc kè hoa sở hữu cơ chế thay đổi màu da rất điệu nghệ, gồm hồng, xanh dương, đỏ, da cam, xanh ngọc, vàng, và màu xanh lá cây. Màu sắc là một ngôn ngữ được tắc kè sử dụng để bảo vệ lãnh thổ, thể hiện cảm xúc và giao tiếp với bạn tình. Nó cũng là một phương tiện điều tiết thân nhiệt, theo đó các tế bào chứa nhiều sắc tố nằm dưới da của tắc kè có thể "đóng-mở" để phơi màu sắc. Ví dụ khi tức giận, tắc kè hoa mở tế bào chứa sắc tố nâu melanin, giúp biến nó thành màu thẫm. Khi phấn khích thư giãn, tế bào chứa sắc tố vàng hay xanh kết hợp, làm cho da có màu xanh dịu. Còn khi bị hưng phấn tình dục, tắc kè hoa tạo ra rất nhiều màu sắc và hoa văn, riêng ban đêm lại thiên về màu trắng để tiết kiệm năng lượng.

Nhờ hiểu được cơ chế trên, vật liệu của PME rất thông minh, nó có thể cảm nhận được nhiệt độ nóng bên ngoài, thay đổi màu sắc để làm mát bên trong và sẽ giúp cung cấp nhiều nhiệt hơn nếu trời lạnh, hạn chế nhu cầu từ điều hòa không khí hoặc hệ thống sưởi. Chưa hết, khi vật liệu đổi màu giúp các công trình đẹp hơn, tiết kiệm nhiều năng lượng.

Vật liệu này có khả năng cách nhiệt tốt hơn để tránh nóng hoặc lạnh bằng cách sử dụng tia hồng ngoại, giúp làm mát hoặc cung cấp nhiệt cho bên trong tùy theo mùa. Nó có thể hấp thụ nhiệt độ bên ngoài, nếu quá nóng nó phát ra 92% tia hồng ngoại để làm cho bên trong mát hơn. Hay vào những ngày lạnh, lại phát ra 7% tia hồng ngoại để làm nóng bên trong nhờ cấu trúc mang hai hình dạng: đồng cứng giữ lại hầu hết nhiệt hồng ngoại, giúp giữ ấm cho tòa nhà; hoặc dung dịch dạng nước phát ra tia hồng ngoại, có thể giúp làm mát tòa nhà.

"Loại vật liệu thông minh này cho phép chúng tôi duy trì nhiệt độ trong tòa nhà ổn định mà không cần tiêu tốn quá nhiều năng lượng. Nếu chúng ta muốn có một tương lai ít carbon, thì cần phải xem xét nhiều cách khác nhau để kiểm soát nhiệt độ tòa nhà theo hướng tiết kiệm năng lượng", Phó giáo sư Po-Chun Hsu, trưởng nhóm nghiên cứu của PME cho hay.

Vật liệu mới ban đầu dễ cháy và điện hóa nên nhóm nghiên cứu đã cải tiến, tạo ra một vật liệu xây dựng "điện sắc" (electrochromic) không bắt lửa có chứa một lớp dùng đồng cứng có tác dụng giữ lại hầu hết nhiệt hồng ngoại hoặc dung dịch nước phát ra tia hồng ngoại để làm mát. Thiết bị sử dụng một lượng điện rất nhỏ để kích hoạt sự dịch chuyển hóa học giữa các trạng thái này bằng cách lắng đọng đồng vào một màng mỏng hoặc loại bỏ đồng.

Vật liệu "tắc kè hoa" có thể thay đổi màu sắc để tiết kiệm năng lượng và tương lai không xa sẽ được ứng dụng trong các tòa nhà điển hình ở 15 thành phố khác nhau của Mỹ. Hiện các nhà nghiên cứu đang cải tiến các cách chế tạo vật liệu, và cho ra đời những mảnh vật liệu có chiều ngang 6 cm. Tuy nhiên, nhiều mảng vật liệu kiểu này có thể lắp ráp giống như ván lợp thành các tấm lớn hơn, có thể được điều chỉnh để phù hợp với từng ngôi nhà, kể cả màu màu sắc lẫn kích thước để không cản trở khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của chính vật liệu và toàn bộ đơn nguyên.