Công trình nghiên cứu do nhóm khoa học thuộc Đại học Texas thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các giải pháp điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng trong lĩnh vực xây dựng. Điểm nổi bật của vật liệu mới là khả năng điều hòa nhiệt độ mà không cần kết nối với lưới điện.

Vật liệu này làm từ gỗ và được thiết kế dựa trên công nghệ chuyển pha, cho phép hấp thụ và lưu trữ nhiệt từ môi trường vào ban ngày, sau đó giải phóng lượng nhiệt này vào ban đêm. Nhờ cơ chế đó, vật liệu hoạt động như một “pin nhiệt” tự sạc, góp phần ổn định nhiệt độ trong không gian bên trong công trình.

“Vật liệu của chúng tôi có thể tự động hấp thụ nhiệt và giải phóng khi cần thiết, tương tự như một viên pin nhiệt”, Tiến sĩ Shuang (Cynthia) Cui, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Máy tính Erik Jonsson, cho biết.

Theo các nhà khoa học, vấn đề lưu trữ năng lượng nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng cung – cầu năng lượng. Khi được tích hợp vào vật liệu xây dựng, công nghệ chuyển pha giúp các bức tường và kết cấu công trình trở thành bộ đệm nhiệt tự nhiên, hấp thụ nhiệt dư thừa vào ban ngày và tỏa nhiệt khi nhiệt độ môi trường giảm xuống.

Chẳng hạn, vào mùa hè, vật liệu sẽ giữ lại lượng nhiệt từ bên ngoài, làm chậm quá trình tăng nhiệt trong phòng. Nếu được sử dụng với mật độ đủ lớn, nhu cầu vận hành điều hòa không khí có thể được giảm đáng kể, thậm chí không cần kích hoạt trong một số điều kiện nhất định.

Một thách thức lớn của các vật liệu chuyển pha trước đây là hiện tượng rò rỉ khi vật liệu chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng. Các giải pháp bao bọc truyền thống thường làm giảm hiệu quả lưu trữ nhiệt do vật liệu nền không tham gia vào quá trình tích trữ năng lượng.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas tại Dallas (UTD), phối hợp cùng Phòng thí nghiệm Quốc gia Rockies và Đại học California, Berkeley, đã tận dụng cấu trúc tế bào tự nhiên của gỗ. Thành phần lignin giúp tế bào thực vật cứng chắc được loại bỏ, tạo ra khung cellulose xốp. Các lỗ xốp sau đó được lấp đầy bằng hỗn hợp vật liệu chuyển pha và nhựa mềm ổn định.

Cách tiếp cận này vừa ngăn chặn hiện tượng rò rỉ trong quá trình nóng chảy, vừa tăng cường độ bền cơ học của vật liệu. Trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm, vật liệu đã trải qua 1.000 chu kỳ làm nóng – làm nguội mà không suy giảm tính năng hay kết cấu.

Tiến sĩ Shuang (Cynthia) Cui (bên phải) đang đánh giá vật liệu mới.

Tiến sĩ Hongbing Lu, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết không giống nhiều vật liệu lưu trữ năng lượng khác thường phải đánh đổi độ bền, vật liệu chuyển pha trên nền gỗ vẫn giữ được tính toàn vẹn cơ học qua nhiều chu kỳ nhiệt, đáp ứng yêu cầu sử dụng lâu dài trong các công trình xây dựng.

Hiện nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu hóa và thúc đẩy thương mại hóa công nghệ này, với mục tiêu đưa giải pháp kiểm soát khí hậu tiết kiệm năng lượng vào thực tiễn.

Theo đồng tác giả Gustavo Felicio Perruci, thành công của dự án đến từ sự hợp tác liên ngành chặt chẽ, cho thấy các vật liệu bền vững hoàn toàn có thể được chuyển hóa thành giải pháp kỹ thuật khả thi trong đời sống.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Materials Today Energy.