Vật liệu cửa sổ trong suốt mới có thể giúp cách nhiệt tốt hơn tường nhà

Các nhà vật lý tại Đại học Colorado Boulder đã phát triển một loại vật liệu cách nhiệt cho cửa sổ hoàn toàn mới, có khả năng cải thiện đáng kể cách các tòa nhà quản lý nhiệt trên toàn thế giới. Vật liệu này hoạt động hơi giống Bubble Wrap (xốp hơi) công nghệ cao, nhưng thay vì dùng để đóng gói, nó được thiết kế để tiết kiệm năng lượng.

Vật liệu mới có tên đầy đủ là Mesoporous Optically Clear Heat Insulator, viết tắt là MOCHI. MOCHI có thể được sản xuất dưới dạng khối dày hoặc tấm mỏng, dẻo, gắn trực tiếp vào mặt trong của các cửa sổ thông thường. Hiện tại, MOCHI mới chỉ được sản xuất trong phòng thí nghiệm và chưa được bán thương mại, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết nó bền, chắc và gần như trong suốt hoàn toàn.

Nhờ độ trong suốt cao, MOCHI không làm cản tầm nhìn, điều giúp nó khác biệt so với nhiều sản phẩm cách nhiệt cửa sổ khác trên thị trường.

Nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 11 tháng 12 trên tạp chí khoa học Science.

Vì sao thất thoát nhiệt qua cửa sổ lại quan trọng?

Các công trình xây dựng, từ nhà ở cho đến cao ốc văn phòng, chiếm khoảng 40% tổng lượng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Một phần lớn năng lượng này bị lãng phí khi nhiệt thoát ra ngoài vào mùa đông hoặc nhiệt từ bên ngoài tràn vào trong những ngày nóng.

Smalyukh và các cộng sự hy vọng MOCHI có thể làm chậm quá trình trao đổi nhiệt không mong muốn này.

MOCHI là một loại gel nền silicone có cấu trúc bên trong cực kỳ phức tạp. Bên trong nó là không khí bị giữ lại trong những lỗ rỗng siêu nhỏ, mỏng hơn rất nhiều so với sợi tóc con người. Chính các túi khí li ti này khiến MOCHI trở thành vật liệu cách nhiệt cực kỳ hiệu quả. Thực tế, chỉ cần một tấm MOCHI dày 5 mm cũng đủ để cầm lửa áp sát mà vẫn an toàn.

MOCHI kiểm soát ánh sáng và nhiệt như thế nào?

Theo Smalyukh, bí quyết của MOCHI nằm ở cách các túi khí được sắp xếp chính xác.

Vật liệu này có điểm tương đồng với aerogel – một loại vật liệu cách nhiệt nổi tiếng được dùng trong nhiều ngành công nghiệp (NASA sử dụng aerogel trong các xe thám hiểm sao Hỏa để giữ ấm cho thiết bị điện tử). Aerogel cũng chứa các lỗ khí, nhưng chúng thường được sắp xếp ngẫu nhiên, khiến ánh sáng bị tán xạ. Vì vậy, aerogel thường có vẻ đục mờ, đôi khi được gọi là “khói đông cứng”.

Nhóm nghiên cứu tại CU Boulder muốn tạo ra một vật liệu vừa cách nhiệt tốt, vừa giữ được độ trong suốt cao.

Để tạo MOCHI, các nhà khoa học trộn phân tử chất hoạt động bề mặt với một hỗn hợp lỏng. Các phân tử này tự tập hợp thành những cấu trúc dạng sợi nhỏ, tương tự hiện tượng dầu và giấm tách lớp trong nước sốt salad. Các phân tử silicone trong hỗn hợp sẽ bám lên bề mặt của các sợi nhỏ đó.

Sau nhiều bước xử lý có kiểm soát, các nhà nghiên cứu loại bỏ các cụm chất tẩy, thay thế chúng bằng không khí. Kết quả là một khung silicone bao quanh mạng lưới kênh khí siêu nhỏ. Smalyukh ví cấu trúc này giống như một “cơn ác mộng của thợ sửa ống nước” vì quá phức tạp. Không khí chiếm hơn 90% thể tích của MOCHI.

Chặn nhiệt ở cấp độ phân tử

Nhiệt truyền qua khí giống như một phản ứng dây chuyền trong trò bi-a. Khi có năng lượng, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn và va chạm vào nhau, từ đó truyền nhiệt đi.

Trong MOCHI, các lỗ khí nhỏ đến mức các phân tử khí không thể va chạm tự do. Thay vào đó, chúng liên tục đập vào thành silicone, khiến nhiệt không thể lan truyền dễ dàng.

“Các phân tử không có cơ hội va chạm tự do với nhau để trao đổi năng lượng,”
Smalyukh giải thích.
“Thay vào đó, chúng va vào thành lỗ rỗng.”

Dù có khả năng chặn nhiệt rất mạnh, MOCHI chỉ phản xạ khoảng 0,2% ánh sáng chiếu vào, cho phép gần như toàn bộ ánh sáng nhìn thấy đi xuyên qua.

Ứng dụng tiềm năng và tương lai của MOCHI

Các nhà nghiên cứu hình dung nhiều ứng dụng cho một vật liệu trong suốt nhưng giữ nhiệt hiệu quả. Một ý tưởng là tạo ra thiết bị thu nhiệt từ ánh nắng mặt trời và chuyển đổi nó thành nguồn năng lượng bền vững, chi phí thấp.

“Ngay cả trong những ngày nhiều mây, bạn vẫn có thể thu được rất nhiều năng lượng để dùng sưởi nước hoặc làm ấm không gian trong nhà,”
Smalyukh cho biết.

Hiện tại, MOCHI chưa sẵn sàng để thương mại hóa vì quy trình sản xuất trong phòng thí nghiệm vẫn mất nhiều thời gian. Tuy nhiên, Smalyukh tin rằng trong tương lai có thể phát triển phương pháp sản xuất hiệu quả hơn. Các thành phần cấu tạo MOCHI có chi phí tương đối thấp, mở ra tiềm năng mở rộng quy mô trong dài hạn.

Ở thời điểm hiện tại, tương lai của MOCHI vẫn rất hứa hẹn - giống như tầm nhìn trong suốt qua một ô cửa sổ được phủ vật liệu này.