Vật liệu thông minh “đổi pha” giữa nóng và lạnh trong vài phút
Các kỹ sư tại Đại học Duke (Hoa Kỳ) đã phát triển một công nghệ cửa kính thông minh có thể chuyển đổi nhanh chóng giữa việc thu và hạ nhiệt từ ánh sáng Mặt trời. Điều này có thể giúp tiết kiệm năng lượng điều hòa không khí tới 20% chỉ tính riêng ở Mỹ.
Nếu ai đã từng đỗ ô tô dưới nắng vào ngày hè nóng bức thì đều biết rõ kính ô tô cho phép ánh nắng xuyên qua rất tốt nhưng cực kì khó thoát nhiệt ra ngoài. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu ở Đại học Duke đang tìm cách giải quyết điều này bằng công nghệ điện sắc (electrochromic), tức là tạo ra các vật liệu có thể thay đổi màu sắc hoặc mờ đi khi dòng điện chạy qua, từ đó làm thay đổi năng lượng mà chúng hấp thụ hoặc phản chiếu. Kết quả này được công bố trên tạp chí American Chemical Society Energy Letters vào giữa tháng 10 vừa qua.
Các loại cửa kính thông minh làm từ kính điện sắc là một công nghệ tương đối mới, sử dụng phản ứng điện cực để thay đổi độ trong đục của kính chỉ trong chớp mắt. Mặc dù có nhiều cách để tạo ra hiện tượng này nhưng tất cả đều cần một lớp vật liệu nhạy điện ở giữa hai lớp điện cực mỏng để truyền dòng điện qua. Thủ thuật này khá phức tạp khi làm với ánh sáng khả kiến (ánh sáng có thể nhìn thấy bằng mắt thường) và còn khó hơn nhiều khi xem xét đến các loại ánh sáng không nhìn thấy như tia hồng ngoại giữa (bức xạ nhiệt).
Trong nghiên cứu của mình, Po-Chun Hsu, phó giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Đại học Duke và học viên cao học Chenxi Sui cho biết họ đã tạo ra được thiết bị điện cực đầu tiên có thể chuyển đổi giữa sưởi ấm và làm mát bằng bức xạ Mặt trời, trong đó phương thức điều chỉnh điện sắc của họ không có bất kì bộ phận chuyển động nào và có thể điều chỉnh liên tục.
Thiết bị mỏng của họ có thể tương tác với cả hai phổ ánh sáng, đồng thời có thể chuyển đổi giữa chế độ sưởi ấm và làm mát thụ động. Ở chế độ sưởi ấm, thiết bị làm tối màu để hấp thụ ánh sáng mặt trời và ngăn tia hồng ngoại giữa thoát ra. Ở chế độ làm mát, lớp kính sẽ trở nên rõ hơn, đồng thời để lộ một tấm gương phản chiếu ánh sáng mặt trời và cho phép ánh sáng hồng ngoại giữa từ sau thiết bị tản ra.
PGS. Hsu cho biết: “Rất khó để tạo ra các vật liệu có thể hoạt động ở cả hai vùng [ánh sáng]. Thiết bị của chúng tôi là một trong những loại có phạm vi điều chỉnh lớn nhất về bức xạ nhiệt từng được chứng minh”.
Để tạo ra các lớp điện cực dẫn điện và trong suốt cho cả ánh sáng khả kiến và bức xạ nhiệt. Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng một lớp graphene dày một nguyên tử, họ đã thêm một lớp lưới vàng mỏng trên bề mặt graphene, có tác dụng như đường cao tốc dẫn điện.
Kế tiếp, nhằm thiết kế một vật liệu có thể di chuyển giữa hai lớp điện cực và chuyển đổi qua lại giữa hấp thụ ánh sáng và nhiệt lượng hoặc cho phép chúng đi qua. Các nhà nghiên cứu đã khai thác một hiện tượng gọi là plasmonics (tương tác giữa bức xạ điện từ và nano kim loại).
Theo đó, các tác giả cho dòng điện đi qua hai điện cực, khiến các hạt nano kim loại tụ lại gần điện cực trên cùng. Nó không chỉ làm thiết bị tối màu mà còn khiến toàn bộ thiết bị hấp thụ và bẫy cả ánh sáng khả kiến và nhiệt lượng. Khi đảo chiều dòng điện, các hạt nano tan trở lại trong chất điện phân lỏng trong suốt. Quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái mất từ 1 đến 2 phút.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức để biến công nghệ này trở nên hữu ích trong cuộc sống hàng ngày. Thách thức lớn nhất là tăng số lần các hạt nano có thể hình thành và tan rã, vì sản phẩm nguyên mẫu mới chỉ thực hiện được quá trình chuyển đổi này vài chục lần trước khi mất hiệu quả. Ngoài ra, người ta vẫn có thể cải thiện thêm độ phản xạ ánh sáng mặt trời ở chế độ làm mát. Các tác giả hy vọng trong tương lai gần, họ có thể giảm nhiệt độ làm mát xuống dưới nhiệt độ môi trường xung quanh.
Trang Linh lược dịch
Nguồn: https://techxplore.com/news/2021-10-smart-material-cooling-minutes.html
