Aerogel, được biết đến với độ xốp và mật độ thấp, là vật liệu rắn có chức năng linh hoạt, từ việc hấp thụ các hạt chất béo trong thực phẩm bổ sung kiểm soát trọng lượng cho đến tạo điều kiện cho các quá trình tái chế kim loại bền vững hơn.
Theo truyền thống, aerogel được sử dụng để cung cấp vật liệu cách nhiệt trong ngành hàng không vũ trụ, Và giờ đây, các nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã đưa vật liệu này lên một tầm cao mới - khai thác các đặc tính độc đáo của nó để mang lại giá trị cho nhiều ứng dụng trong xây dựng, xử lý môi trường, phân phối thuốc, và thậm chí cả quần áo và dệt may.
Theo thông cáo được NUS công bố ngày 4/6, trong nỗ lực tiên phong, một nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư người Việt Dương Minh Hải từ Khoa Cơ khí thuộc Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Singapore (NUS) dẫn đầu, đã phát triển aerogel cho hai ứng dụng mới: làm mát bức xạ và hấp thụ sóng điện từ (EMW).
Công trình của các nhà nghiên cứu được xây dựng dựa trên những thành công trước đây của họ trong việc phát triển aerogel từ nhiều loại vật liệu phế thải, từ nhựa và giấy đến các phụ phẩm nông nghiệp như lá dứa.
Aerogel làm mát bức xạ
 |
| Bằng cách sử dụng chất thải nhựa, các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore đã chế tạo ra aerogel màng mỏng có chức năng như chất cách nhiệt và làm mát bức xạ. Trong phần trình diễn này, aerogel (màu trắng) cách nhiệt hiệu quả với nhiệt tỏa ra từ chậu nước nóng, dẫn đến nhiệt độ ở bề mặt trên của nó thấp hơn. Ảnh: NUS. |
Các hệ thống làm mát truyền thống, chẳng hạn như máy điều hòa không khí, cần sử dụng rất nhiều năng lượng, chiếm khoảng 20% lượng điện sử dụng trong các tòa nhà trên toàn thế giới. Các aerogel mới do nhóm các nhà khoa học NUS phát triển đưa ra một giải pháp làm mát thụ động thay thế, tận dụng quá trình làm mát bức xạ tự nhiên để tản nhiệt vào không gian mà không tiêu tốn năng lượng.
PGS Dương Minh Hải cho biết: “Quá trình này bao gồm việc sử dụng các aerogel được thiết kế đặc biệt để phát ra bức xạ hồng ngoại qua "cửa sổ bầu trời’"trong khí quyển, làm mát hiệu quả nhiệt độ bề mặt xuống dưới mức môi trường xung quanh”.
“Chúng tôi rất vui mừng khi có thể tái chế sợi từ chai polyethylene terephthalate (PET) dùng một lần để tạo ra aerogel mới được thiết kế cho mục đích này nhằm giúp giải quyết cuộc khủng hoảng rác thải nhựa toàn cầu”, nhà khoa học này tuyên bố.
Trước đây, nhóm nghiên cứu đã làm việc với sợi PET để sản xuất aerogel, nhưng phương pháp mới nhất này tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể, tiêu thụ ít năng lượng hơn khoảng 97% và giảm thời gian sản xuất tới 96%.
 |
| PGS Dương Minh Hải (bên phải) và aerogel cải tiến để làm mát bức xạ. (Ảnh nhân vật cung cấp). |
Khi được thử nghiệm ở vùng khí hậu ấm áp của Singapore, được tiến hành với sự cộng tác của Tiến sĩ Jaesuk Hwang thuộc Trung tâm Công nghệ Lượng tử của NUS, kết quả cho thấy, 0,5 cm vật liệu tạo ra hiệu ứng làm mát 2 độ C, đạt được bằng cách phát ra nhiệt hồng ngoại ra môi trường xung quanh, đồng thời thể hiện khả năng cách nhiệt tốt, ngăn chặn sự hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.
PGS Dương Minh Hải cho biết thêm: “Những aerogel này có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng ở cả các tòa nhà dân cư và thương mại, đặc biệt là ở vùng khí hậu nhiệt đới, nơi việc làm mát hiện là điều cần thiết”.
Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc điều chỉnh các aerogel này cho phù hợp với các điều kiện khí hậu đa dạng và mở rộng ứng dụng của chúng ngoài khả năng cách nhiệt của tòa nhà, chẳng hạn như trong các quy trình công nghiệp trong đó việc quản lý nhiệt hiệu quả của ống tuần hoàn chất lỏng là rất quan trọng.
Aerogel để hấp thụ sóng điện từ
 |
| Các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore đã phát triển một loại aerogel cải tiến thể hiện hiệu suất hấp thụ năng lượng điện từ ấn tượng. Trong phần trình diễn này, điện thoại di động được che chắn bởi aerogel (màu xám) đã ghi lại tốc độ WiFi chậm hơn đáng kể, cho thấy sự hấp thụ bức xạ điện từ phát ra từ điện thoại di động. Ảnh: NUS |
Các thiết bị điện tử hiện đại phát ra sóng điện từ (EMW) có thể làm hỏng các thiết bị gần đó và gây nguy hiểm cho sức khỏe, bao gồm tổn thương DNA và ung thư.
Do đó, điều quan trọng là phải phát triển các vật liệu có thể hấp thụ EMW một cách hiệu quả để bảo vệ cả con người và cơ sở hạ tầng khỏi những tác động bất lợi này. Các ứng dụng bao gồm tăng cường sự riêng tư và an ninh của các tòa nhà cũng như bảo vệ các thiết bị y tế nhạy cảm.
Để giải quyết nhu cầu này, nhóm của PGS Dương Minh Hải đã phát triển một quy trình có thể mở rộng và thân thiện với môi trường để sản xuất các loại aerogel mới có khả năng hấp thụ EMW hiệu quả. Quá trình này bao gồm việc trộn ba thành phần chính – ống nano carbon, rượu polyvinyl và carboxymethyl cellulose – sau đó là đông khô.
Aerogel có độ dày khoảng 3 mm - gần bằng chiều rộng của 40 sợi tóc người - đã chứng tỏ hiệu suất ấn tượng trong việc hấp thụ 99,99% năng lượng EMW. Trên toàn bộ dải tần X (8,2–12,4 GHz) của phổ điện từ, được sử dụng chủ yếu cho các hệ thống radar, theo dõi thời tiết và kiểm soát không lưu, aerogel luôn thể hiện khả năng hấp thụ 90% năng lượng EMW.
PGS Dương Minh Hải cho biết thêm: “Ngoài việc cung cấp băng thông hấp thụ rộng 1,2–2,2 GHz ở băng tần X, aerogel của chúng tôi còn nhẹ hơn khoảng 10 lần so với các vật liệu tổng hợp hiện có được sử dụng để hấp thụ EMW”.
 |
| Nhóm các nhà khoa học và các loại aerogel cải tiến hấp thụ sóng điện từ, (Ảnh nhân vật cung cấp). |
“Không giống như các vật liệu tổng hợp khác, aerogel của chúng tôi không cần trộn với chất độn polymer nặng trước khi sử dụng”, nhà khoa học gốc Việt nói.
Các nhà nghiên cứu đã ước tính rằng việc sản xuất 1 m2 aerogel với độ dày 1 cm chỉ tốn chưa đến 100 SGD (tương đương 74 USD). Chi phí này thấp hơn đáng kể so với giá của các vật liệu thương mại tương tự khác, có thể dao động từ 180 SGD (tương đương 133 USD) đến trên 1.000 SGD (tương đương 738 USD).
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch cải tiến các đặc tính cơ học của aerogel, chẳng hạn như tính linh hoạt, để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều dự án xây dựng và cơ sở hạ tầng khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cũng đặt mục tiêu tiến hành các thử nghiệm trong thế giới thực để đánh giá đầy đủ khả năng hấp thụ EMW của aerogel trong các tình huống thực tế.
Trước đó, bằng cách sử dụng chất thải nhựa, nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra các aerogel màng mỏng có chức năng như chất cách nhiệt và làm mát bức xạ. Những aerogel này có thể được áp dụng cho bất kỳ bề mặt nào, như mái nhà, để giảm nhiệt độ bên trong, mang lại giải pháp bền vững và có thể mở rộng để quản lý nhiệt không cần năng lượng. Phát hiện của nhóm đã được công bố trên tạp chí Năng lượng mặt trời vào ngày 15/5 vừa qua.
Trong một nghiên cứu khác, được công bố trên tạp chí Carbon vào ngày 10/1/ 2024, các nhà nghiên cứu của NUS đã nghĩ ra một phương pháp đơn giản, có thể mở rộng để sản xuất aerogel hấp thụ EMW trong dải X, đặc trưng của các phương pháp được sử dụng trong giám sát thời tiết và kiểm soát không lưu. Những aerogel nhẹ, bền này bảo vệ khỏi ô nhiễm điện từ, bảo vệ cả con người và các thiết bị nhạy cảm trong thế giới kỹ thuật số ngày càng phát triển của chúng ta.
