Các nhà khoa học tạo ra loại siêu gỗ mới, khỏe hơn cả nhôm, tự động làm mát mà không tốn điện

Mỗi công trình xây dựng đều là một đối tượng tiêu tốn nhiều năng lượng. Đầu tiên là phần điện năng dành cho việc sản xuất các loại vật liệu như thép, ngoài ra bê tông còn là nguồn lớn gây phát thải carbon ra môi trường. Ngay cả khi hoàn thành, việc làm mát hay sưởi ấm cho các tòa nhà đó lại tiếp tục ngốn thêm một phần năng lượng đáng kể khác.

Nhưng nhờ các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Maryland, Đại học California và Đại học Colorado Boulder, một loại vật liệu mới được tìm ra không chỉ khỏe hơn nhôm, mà còn phản xạ tốt ánh nắng mặt trời cũng như bức xạ nhiệt phát sinh ở bên trong ra ngoài môi trường. Đáng nói hơn cả khi loại vật liệu kỳ diệu đó lại là gỗ. Hay nói chính xác hơn, đó là gỗ đã qua xử lý, nhằm loại bỏ một trong hai thành phần chủ yếu của nó.

Loại gỗ với nhiều đặc tính chịu lực tương đương thép, titan

Hình ảnh tấm gỗ trước và sau quá trình xử lý loại bỏ Lignin trong tấm gỗ.

Thông thường gỗ có cấu tạo từ 2 loại polymer chính: Cellulose và Lignin. Trong khi Cellulose là một chuỗi dài các phần tử đường liên kết với nhau, Lignin lại là một polymer có cấu trúc vô định hình, khó phân hủy hơn, giúp mang lại đặc tính rắn chắc, vững chãi cho gỗ.

Thế nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm ra một quá trình hóa học mới về cơ bản sẽ loại bỏ Lignin ra khỏi gỗ. Trong khi các nhà nghiên cứu không tiết lộ về cách tiến hành quá trình này, tuy nhiên, dựa trên các vật liệu bổ sung vào quá trình thực hiện, có thể dự đoán quá trình này liên quan đến việc nhúng gỗ vào dung dịch Hydro PerOxide (hay còn gọi Oxy già) đậm đặc và đun sôi nó.

Để loại bỏ Lignin mà không làm gỗ bị yếu đi, gỗ sau khi xử lý sẽ được nén lại. Khi không còn Lignin ở giữa cellulose này, các phần tử Hydro/Oxy háo đường sẽ nhanh chóng tương tác với các phần tử đó, tạo nên một mạng lưới liên kết hydro dầy đặc bên trong. Điều này sẽ tạo nên một loại vật liệu còn bền bỉ hơn cả gỗ thường (những nhà nghiên cứu không so sánh độ bền của loại vật liệu mới với gỗ được xử lý áp suất, vốn còn bền hơn gỗ thường)

Một số phép thử được các nhà nghiên cứu thực hiện cho thấy, loại gỗ mới có nhiều đặc tính còn bền vững gấp từ 3 đến 10 lần so với các loại gỗ thường. Đặc biệt, một đặc tính trong số đó là độ bền căng dãn của loại gỗ mới còn ngang ngửa với thép và titanium. Điều này có nghĩa là nó có thể được sử dụng để thay thế cho kim loại trong một số trường hợp.

Khả năng làm mát không dùng điện của loại vật liệu mới

Không chỉ là một vật liệu xây dựng hữu dụng, loại gỗ mới còn có các đặc tính khiến nó trở thành những tấm lót bao phủ mặt ngoài cho các công trình rất hữu ích. Do cách sắp xếp hỗn loạn của các sợi cellulose trong mỗi thớ gỗ, ánh sáng khi đi tới nó sẽ bị dội lại vào trong các sợi cellulose dày đặc bên trong và cuối cùng tản mát năng lượng trong quá trình đó.

Đặc tính hấp thụ kém ánh sáng mặt trời giúp loại gỗ mới có khả năng làm mát chủ động.

Chính vì hấp thụ kém ánh sáng mặt trời, loại vật liệt mới cũng không hấp thụ phần nhiệt do ánh sáng mặt trời mang lại. Điều này lại là một lợi thế khi sử dụng loại vật liệu mới vào quá trình làm mát các công trình xây dựng.

Các phần tử đường trong sợi cellulose có khả năng phát xạ hiệu quả bức xạ hồng ngoại. Điều này nghĩa là nếu sử dùng loại vật liệu mới để bao phủ một công trình xây dựng nào đó, nó sẽ hấp thụ nhiệt do công trình đó sinh ra và bức xạ nhiệt đó ra ngoài môi trường. Và nó còn có thể làm được điều này ngay cả khi đang bị ánh nắng mặt trời chiếu vào. Kết luận này được rút ra từ một thử nghiệm của các nhà nghiên cứu.

Họ đặt một bếp nhỏ vào trong một chiếc hộp làm từ loại gỗ mới và sau đó đặt nó dưới ánh nắng mặt trời gay gắt của vùng Arizona. Trong ngày nắng, một mét vuông loại gỗ này có thể bức xạ lượng nhiệt khoảng 16W ra môi trường. Đến đêm khi không còn ánh nắng, lượng nhiệt bức xạ ra lên đến 63W, tính trung bình cả ngày 24 giờ, lượng nhiệt bức xạ là 53W/m2.

Thử nghiệm khả năng thoát nhiệt chủ động ra môi trường của loại gỗ mới.

Vào giữa ngày, khi không còn nguồn nhiệt ở bên trong hộp, chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong hộp và môi trường xung quanh là khoảng 4^oC. Thử tưởng tượng đến việc trong khi nhiệt độ ngoài trời đang là 32^oC nhưng căn phòng của bạn chỉ có nhiệt độ 28^oC mà không tiêu tốn điện năng cho việc làm mát nó. Nó thật sự là một loại vật liệu kỳ diệu.

Nhưng đây vẫn chỉ là một thử nghiệm trong phạm vi nhỏ, liệu các đặc tính trên có còn được duy trì khi sử dụng vào các công trình lớn hay không?

Thử nghiệm trong các công trình xây dựng

Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu sử dụng loại gỗ này để làm một mô hình phòng làm việc thông thường với các nguồn phát nhiệt như ánh sáng đèn, người đi lại trong phòng, và theo dõi lượng nhiệt bức xạ ra môi trường. Sau đó căn phòng này được đặt trong tòa nhà văn phòng tại 16 thành phố khác nhau của Mỹ và theo dõi mức năng lượng nó sử dụng trong cả năm với các dữ liệu về thời tiết tại mỗi thành phố.

Kết quả cho thấy, trong những thành phố ở miền Tây và Nam nước Mỹ, như Atlanta, Las Vegas và Phoenix, loại vật liệu mới giúp giảm đáng kể lượng năng lượng tiêu thụ. Các nhà nghiên cứu ước tính việc bao phủ tòa nhà văn phòng bằng loại gỗ đã qua xử lý này sẽ giúp lượng điện dành cho làm mát giảm 35%. Trong các khu đô thị đông đúc, con số này thậm chí có thể tăng lên trên 50%.

Cộng với khả năng vững chãi của loại gỗ mới có thể thay thế cho một số vật liệu kim loại trong các tòa nhà, các nhà nghiên cứu cho rằng loại gỗ đã qua xử lý này sẽ là vật liệu rất hứa hẹn trong thời gian tới. Vì vậy không có gì ngạc nhiên khi 3 thành viên trong nhóm nghiên cứu đã được cấp một bằng sáng chế để thương mại hóa loại gỗ mới này.