Trong bối cảnh các đô thị trên thế giới đang đối mặt với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc kiểm soát nhiệt từ ánh sáng mặt trời trở thành thách thức lớn. Phần lớn nhiệt lượng đi vào các tòa nhà đến từ ánh sáng cận hồng ngoại (NIR), một phần của ánh sáng mặt trời, dễ dàng xuyên qua cửa sổ kính thông thường.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu ở Hàn Quốc phát triển loại vật liệu mới đầy hứa hẹn, có thể giúp cửa sổ thông minh ngăn chặn nhiệt này hiệu quả hơn và với chi phí thấp hơn nhiều. Bước đột phá này đến từ nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Sungyeon Heo tại Đại học khoa học và công nghệ Seoul dẫn đầu.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào loại vật liệu, gọi là thanh nano oxit vonfram hình lục giác. Vật liệu này nổi bật với đặc tính điện sắc, nghĩa là có thể thay đổi độ trong suốt và khả năng ngăn nhiệt khi có điện áp nhỏ tác động. Đặc tính này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho cửa sổ thông minh, có thể tự động điều chỉnh theo ánh sáng mặt trời và nhiệt độ.
Điều làm cho các thanh nano này trở nên đặc biệt là cấu trúc bên trong của chúng. Chúng chứa các tuyến hình lục giác nhỏ, gọi là các vị trí hoạt tính quang học, hoạt động như các kênh dẫn ion từ chất điện phân. Khi ion di chuyển vào ra các tuyến này, vật liệu có thể chọn lọc chặn ánh sáng cận hồng ngoại (NIR), giảm nhiệt mà không làm tối cửa sổ.
Cho đến nay, hầu hết hệ thống điện sắc hiệu suất cao đều dựa vào ion lithium, vì chúng nhỏ và dễ dàng nằm gọn trong các tuyến ngầm. Tuy nhiên, lithium tương đối đắt và khan hiếm. Trong khi đó, natri rẻ và phổ biến hơn nhiều, nhưng kích thước lớn của nó khiến việc sử dụng trở nên khó khăn.
Các tuyến ngầm bị nghẽn một phần bởi các chất phụ gia cần thiết để duy trì cấu trúc của vật liệu, làm hạn chế ion natri di chuyển tự do. Để duy trì cấu trúc hình lục giác, cần có chất phụ gia ổn định bên trong các tuyến này để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc. Nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề này bằng một cách khéo léo.
Họ đưa vào chất phụ gia đặc biệt giúp hình thành các thanh nano trong quá trình tổng hợp nhưng sau đó có thể được loại bỏ thông qua xử lý nhiệt đơn giản. Sau khi các chất phụ gia được loại bỏ, các tuyến sẽ được mở ra và dễ tiếp cận, cho phép các ion natri di chuyển ra vào hiệu quả hơn.
Kết quả là hệ thống dựa trên natri đạt được hiệu suất ngăn nhiệt cận hồng ngoại tương đương hệ thống dựa trên lithium, ngay cả với màng siêu mỏng chỉ dày 150 nanomet. Điều này có nghĩa cửa sổ thông minh có thể được làm mỏng hơn, rẻ hơn và bền vững hơn mà không làm giảm hiệu suất.
Vì vật liệu này được sản xuất ở dạng lỏng, hay dạng keo, nên chúng cũng có thể dễ dàng ứng dụng làm lớp phủ hoặc kết hợp với các vật liệu khác, mở rộng tiềm năng sử dụng của chúng ngoài phạm vi áp dụng cho cửa sổ thông minh.
Công nghệ này có thể đặc biệt hữu ích ở vùng có khí hậu khắc nghiệt, nơi cửa sổ có thể duy trì chế độ ngăn nhiệt liên tục để giảm nhu cầu làm mát từ máy điều hòa không khí. Ở khu vực có khí hậu theo mùa, cửa sổ có thể tự điều chỉnh để gia nhiệt vào mùa đông và chắn nhiệt vào mùa hè.
Bằng cách dựa vào các vật liệu dồi dào như natri và phương pháp sản xuất có thể mở rộng quy mô, công nghệ này cung cấp giải pháp thiết thực hướng tới giảm tiêu thụ năng lượng và tạo ra môi trường trong nhà thoải mái hơn. Các nhà nghiên cứu tin rằng sự đổi mới này có thể thúc đẩy việc áp dụng cửa sổ thông minh và tòa nhà tiết kiệm năng lượng trong thập kỷ tới.
