Các nhà khoa học đã nghiên cứu ra vật liệu sơn trắng có khả năng phản chiếu khoảng 98% ánh sáng truyền đến, từ đó làm mát và giúp tiết kiệm năng lượng cho các phương tiện di chuyển như máy bay.

Sơn trắng nhất thế giới

Năm 2021, ông Xiulin Ruan, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Đại học Purdue, Mỹ, đã phát triển loại sơn trắng nhất thế giới bằng cách sử dụng các hạt nano bari sulfat, hợp chất hoá học sử dụng trong giấy ảnh và mỹ phẩm.

Hợp chất này được thêm vào hỗn hợp ở dạng các hạt có kích thước khác nhau với khả năng phân tán ánh sáng đa dạng, cho phép lớp sơn phản chiếu nhiều quang phổ ánh sáng truyền đến hơn.

Loại sơn này có thể phản chiếu 98,1% ánh sáng Mặt trời truyền đến và làm giảm khoảng 4,5 độ C nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc với ánh sáng so với nhiệt độ môi trường. Từ đó, giúp tiết kiệm năng lượng hoặc nhu cầu sử dụng điều hoà cho các toà nhà, máy bay, xe hơi hay tàu hoả.

Với độ phản chiếu 98,1%, vật liệu này vượt xa độ phản chiếu của sơn chịu nhiệt có sẵn trên thị trường với độ phản chiếu 80 - 90%. Trong thử nghiệm với các bề mặt ngoài trời, nhóm nghiên cứu nhận thấy lớp sơn có thể giảm đáng kể nhiệt độ so với môi trường xung quanh, tạo ra hiệu ứng làm mát sánh ngang với những mẫu điều hòa phổ biến. Nhưng lớp sơn có vài hạn chế.

Theo ông Xiulin, để đạt mức độ làm mát thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, các nhà nghiên cứu phải phủ một lớp sơn dày ít nhất 400 micron. Điều này chỉ phù hợp nếu sơn một công trình cố định, tĩnh và vững chắc, chẳng hạn như mái của một tòa nhà. Tuy nhiên, nếu trong ứng dụng đòi hỏi kích thước và trọng lượng chính xác, sơn cần phải mỏng nhẹ hơn.

Sau một năm, ông Xiulin cùng các cộng sự đã tiến hành một số điều chỉnh với công thức sơn trắng nhất thế giới và cho ra đời phiên bản mỏng nhẹ hơn, phù hợp cho xe hơi, tàu hoả và máy bay. Nghiên cứu mới được công bố ngày 3/10 trên tạp chí Cell Reports Physical Science.

Sơn trắng có thể phản chiếu ánh sáng Mặt trời.

Giúp giảm khí nhà kính

Các nhà khoa học đã thử nghiệm nhiều vật liệu bổ sung để phân tán ánh sáng Mặt trời, tạo ra công thức sơn với nguyên liệu là boron nitride ở dạng tấm nano hình lục giác. Loại sơn mới đạt tiêu chuẩn gần như tương đương về độ phản chiếu năng lượng Mặt trời, mặc dù giảm thành 97,9%.

Tuy nhiên, với sơn mới, chỉ cần phủ một lớp 150 micron, mỏng và mật độ thấp hơn lớp sơn cũ. Ước tính, sơn mới nhẹ hơn khoảng 80% nhờ tận dụng khoảng trống không khí trong sơn và làm xốp sơn ở kích thước nano.

Ông Xiulin cho biết: “Để giảm độ dày, chúng tôi cần các vật liệu có khả năng tán xạ ánh sáng Mặt trời mạnh hơn, do đó đòi hỏi chỉ số khúc xạ cao hơn. Tuy nhiên, các vật liệu có chiết suất cao thường hấp thụ phần tia cực tím của bức xạ Mặt trời, đồng nghĩa chúng hấp thụ nhiều Mặt trời hơn. Do đó, thông thường để giảm độ dày sẽ đi kèm với việc tăng sức nóng.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã tìm đến boron nitride ở dạng tấm nano hình lục giác. Vật liệu này không hấp thụ tia UV nhưng chỉ số khúc xạ vẫn tương đối cao. Ngoài ra cấu trúc của boron nitride cho phép nó phản chiếu ánh sáng Mặt trời. Nhiều loại sơn làm mát trước đây cũng sử dụng boron nitride.

Là đồng tác giả của nghiên cứu, ông George Chiu, giáo sư kỹ thuật cơ khí, Trường ĐH Purdue, cho biết: “Trọng lượng nhẹ mở ra cánh cửa cho mọi loại ứng dụng. Hiện nay, lớp sơn có tiềm năng làm mát mặt ngoài máy bay, xe hơi hoặc tàu hỏa. Máy bay đậu trên đường băng vào ngày hè nóng bức sẽ không cần chạy điều hòa để làm mát bên trong, tiết kiệm lượng lớn năng lượng. Tàu vũ trụ cũng cần nhẹ hết mức có thể, vì vậy lớp sơn này có tính ứng dụng cao”.

Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã sử dụng sơn màu trắng hoặc sơn màu sáng cho máy bay hoặc các phương tiện di chuyển khác như ô tô để phản chiếu ánh sáng Mặt trời. Trong khi các màu khác sẽ hấp thụ hầu hết ánh sáng, thì màu sáng như màu trắng sẽ giúp phản chiếu lại ánh nắng Mặt trời. Điều này rất quan trọng vì khi ánh sáng Mặt trời được máy bay hấp thụ, nó sẽ làm nóng toàn bộ máy bay.

Ngược lại, sơn màu có xu hướng mờ dần do máy bay tiếp xúc với nhiều điều kiện khí quyển khác nhau. Việc sơn lại màu không chỉ tốn nhiều chi phí mà còn ảnh hưởng đến trọng lượng của máy bay.

Dự án của Trường ĐH Purdue là nghiên cứu kéo dài lâu nhất với những thành tựu ấn tượng nhất về sơn làm trắng.

Ông Xiulin phân tích: “Sử dụng sơn trắng giúp làm mát bề mặt và giảm thiểu nhu cầu sử dụng điều hòa nhiệt độ. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí, mà còn giảm sử dụng năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính”.

Ngoài ra, lớp sơn còn giúp giảm khí nhà kính. Không giống với nhiều phương pháp làm mát khác, lớp sơn tỏa tất cả nhiệt vào không gian sâu, giúp làm mát trực tiếp Trái đất.

Việc đưa sơn mới vào các ứng dụng trong thế giới thực, chẳng hạn như máy bay, vẫn đang trong quá trình hoàn thiện. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Trường ĐH Purdue đang trên đường biến nó thành hiện thực để thương mại hóa lớp sơn và xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ.