» Các nhà nghiên cứu tại Đại học Drexel (Mỹ) đã phát triển một loại xi măng thông minh, có khả năng hấp thụ và giải phóng nhiệt nhờ cấu trúc đặc biệt bên trong chứa paraffin. Vật liệu này cho phép bề mặt tường, trần và sàn tự điều hòa nhiệt độ, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí trong các công trình.
Chi phí năng lượng leo thang cùng áp lực phát triển công trình xanh đã thúc đẩy ngành Xây dựng tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm và bền vững hơn. Vật liệu có khả năng điều chỉnh nhiệt độ thụ động đang nổi lên như một lựa chọn đầy tiềm năng. Một trong những đột phá đáng chú ý là loại xi măng thông minh mô phỏng cơ chế tản nhiệt của loài voi, giúp công trình mát hơn mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống làm mát tiêu tốn điện năng.
Vật liệu xi măng cảm ứng nhiệt của Đại học Drexel điều hòa nhiệt độ thụ động, lấy cảm hứng từ cấu trúc tai động vật.
Tái tạo cơ chế điều nhiệt sinh học bằng vật liệu xây dựng
Lấy cảm hứng từ đôi tai lớn nhiều mạch máu của voi và thỏ đồng vốn là “bộ điều hòa” tự nhiên giúp chúng chống chọi với thời tiết khắc nghiệt, các nhà khoa học tại Drexel đã phát triển một loại xi măng tích hợp mạng lưới các kênh nhỏ bên trong, chứa đầy paraffin. Đây là chất chuyển đổi pha (PCM - Phase Change Material) có thể hấp thụ nhiệt khi nóng chảy và giải phóng nhiệt khi đông đặc, giống như cách mồ hôi bay hơi để làm mát cơ thể người.
Paraffin đã từng được ứng dụng trong bê tông tự sưởi, nhưng với dự án này, nhóm nghiên cứu chọn loại có điểm nóng chảy khoảng 18°C là mức lý tưởng cho khí hậu lạnh. Tuy nhiên, hệ thống này hoàn toàn có thể được điều chỉnh để phù hợp với vùng khí hậu nóng hơn.
Bằng cách tích hợp trực tiếp khả năng điều tiết nhiệt vào chính bề mặt tường, trần hoặc sàn, loại vật liệu mới này không chỉ giảm tải cho hệ thống HVAC mà còn giải quyết bài toán thất thoát nhiệt phổ biến trong xây dựng hiện đại, như rò rỉ không khí, cầu nhiệt và hạn chế từ vật liệu cách nhiệt truyền thống.
Hiệu quả thực tế và tiềm năng ứng dụng
Để kiểm nghiệm hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã tạo nhiều mẫu vật liệu với các kiểu bố trí kênh dẫn khác nhau: đơn lẻ, song song, chéo, lưới hình thoi… có đường kính từ 3 đến 8 mm. Kết quả cho thấy mẫu lưới hình thoi là tối ưu nhất vừa duy trì độ bền cơ học, vừa làm chậm sự thay đổi nhiệt độ bề mặt từ 1 - 1,25°C mỗi giờ.
Hình ảnh chụp X-quang 3D vật liệu xây dựng có cấu trúc mạch dẫn bên trong, do các nhà nghiên cứu Đại học Drexel phát triển.
Tăng diện tích bề mặt chứa kênh đồng nghĩa với hiệu suất điều nhiệt cao hơn, giống như đôi tai voi có diện tích mạch máu lớn để tản nhiệt tốt hơn. Dù bên trong có cấu trúc rỗng, vật liệu vẫn đạt được độ bền cần thiết nhờ bổ sung cốt liệu mịn mà không ảnh hưởng đến hệ thống kênh paraffin.
Theo các chuyên gia, vật liệu mới này mang tiềm năng lớn trong việc giảm điện năng tiêu thụ của các công trình xây dựng là lĩnh vực hiện chiếm gần 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu, trong đó một nửa dành riêng cho làm mát và sưởi.
Thay vì cố gắng loại bỏ hoàn toàn thất thoát nhiệt, điều vốn rất khó trong thực tế, chúng tôi biến chính vật liệu xây dựng thành hệ thống điều hòa thụ động, giúp công trình thích nghi với môi trường mà không tốn điện, Phó Giáo sư Amir Farnam, trưởng nhóm nghiên cứu, nhận định.
Nghiên cứu hiện mới ở giai đoạn chứng minh nguyên lý, nhưng những kết quả bước đầu rất hứa hẹn. Nếu được phát triển và ứng dụng ở quy mô lớn, loại xi măng cảm ứng nhiệt này có thể trở thành chìa khóa cho công trình thông minh, bền vững và tiết kiệm năng lượng trong tương lai.
Cem.Info
