Khoa Sư phạm

Một nhóm vật liệu ngày càng phát triển có thể làm mát các bề mặt xuống dưới nhiệt độ môi trường mà không cần cung cấp năng lượng. Giờ đây, đã xuất hiện một loại vật liệu hoạt động trên cả bề mặt thẳng đứng.

Hiệu ứng Nhà kính khí quyển trái đất có một “lỗ hổng” giúp chúng ta có thể khai thác để giảm bớt hiện tượng làm nóng trái đất gây ra bởi hiệu ứng này. Như ta biết Carbon dioxide, methane và các loại khí khác hấp thụ bức xạ trong phần lớn quang phổ hồng ngoại (IR) và bức xạ ngược lại về phía Trái Đất, chúng gần như trong suốt trong khoảng bước sóng từ 8 µm đến 13 µm – khoảng bước sóng mà một vật đen ở 300 K phát xạ mạnh nhất. Khi một vật liệu được thiết kế để tập trung toàn bộ bức xạ nhiệt của nó vào dải bước sóng này, năng lượng sẽ được truyền thẳng vào không gian vũ trụ. Nhiệt độ của vật liệu giảm tự nhiên xuống thấp hơn vài độ so với môi trường xung quanh. Nếu loại vật liệu này được sử dụng trên 1–2% bề mặt Trái Đất, nó có thể giúp làm mát hành tinh.

Điều này có vẻ phi thực tế, nhưng thực ra không phải vậy. Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số thiết kế vật liệu làm mát, thường dựa trên các chất có cộng hưởng dao động mạnh trong dải bước sóng 8–13 µm, chẳng hạn như silicon dioxide (xem Physics Today, tháng 4 năm 2017, trang 16). Tuy nhiên, có một điểm hạn chế: các vật liệu này chỉ hoạt động trên mái nhà hoặc các bề mặt hướng lên trên. Khi áp dụng trên một bức tường thẳng đứng, chúng trao đổi năng lượng dễ dàng với mặt đất như với bầu trời. Và vì mặt đất thường nóng hơn môi trường xung quanh, hiệu ứng làm mát bị triệt tiêu hoàn toàn.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế do Wei Li (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc), Shanhui Fan (Đại học Stanford) và Andrea Alù (Đại học Thành phố New York) dẫn đầu đã phát triển một loại vật liệu làm mát bức xạ thụ động hoạt động trên cả tường. Như hình minh họa (Hình 1), vật liệu này có cấu trúc hình răng cưa với các mặt ngang hướng lên trên và các mặt nghiêng hướng xuống dưới. Các bề mặt ngang được phủ silicon nitride, phát xạ mạnh trong dải bước sóng 8–13 µm. Các bề mặt nghiêng được phủ bạc để phản xạ bức xạ nhiệt từ mặt đất.

Hình 1. Để làm mát một bức tường, vật liệu phải phát xạ bức xạ hồng ngoại (IR) hướng lên bầu trời trong khi phản xạ bức xạ đến từ mặt đất. Điều này có thể thực hiện được với cấu trúc bề mặt hình răng cưa, trong đó các bề mặt hướng lên được làm từ silicon nitride – một vật liệu phát xạ mạnh trong dải IR, và các bề mặt hướng xuống được phủ bạc có độ phản xạ cao.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu này vào một ngày trời nóng ở Bắc Kinh. Dù nhiệt độ không khí lên đến 41 °C và nhiệt độ mặt đất đạt tới 58 °C, vật liệu làm mát hình răng cưa vẫn giữ được nhiệt độ dưới 38 °C. Để so sánh, một vật liệu làm mát bức xạ thông thường – được thiết kế cho bề mặt ngang nhưng đặt trên bề mặt thẳng đứng – đạt 42 °C, còn sơn trắng thông thường tăng nhiệt tới 46 °C.

Vật liệu này có lẽ sẽ không thể thay thế hoàn toàn các công nghệ làm mát tiêu tốn năng lượng như điều hòa cơ học. Nhưng việc làm mát tản nhiệt của điều hòa chỉ vài độ có thể tăng đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng. Các nhà nghiên cứu cũng hướng tới một loạt ứng dụng tiềm năng khác, bao gồm không chỉ các bức tường của tòa nhà mà còn cả phương tiện và quần áo.

Nguồn: Physics today