TS. Nguyễn Quốc Hưng: Thành công với sơn bức xạ làm mát bề mặt ngoài trời

TS Nguyễn Quốc Hưng, Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội vừa nghiên cứu thành công sơn bức xạ làm mát bề mặt ngoài trời (RARE).

TS Hưng cho biết, năng lượng dành cho làm mát chiếm đến 30% tổng năng lượng hàng năm, gây tốn kém không nhỏ cho các gia đình, đặc biệt vào mùa hè. Các giải pháp chống nóng hiện nay như dùng chất cách nhiệt tôn, xốp… cho hiệu quả thấp. Sơn chống nóng đã có, nhưng chưa phổ biến.

Năm 2014, TS Hưng biết đến công trình của các nhà khoa học ở Trường Đại học Stanford (Mỹ) về làm mát bức xạ. Để làm mát, họ chế tạo ra vật liệu 7 lớp màng mỏng xen kẽ nhau với chiết xuất giữa các lớp rất khác nhau. Kết quả dẫn đến 2 hiệu ứng: Phản xạ nhiệt Mặt trời rất mạnh (bước sóng 0,3 tới 3 µm) và bức xạ nhiệt (bước sóng 7 - 14 µm) rất mạnh.

TS Hưng tìm hiểu thì được biết, vùng bước sóng 7 - 14 µm rất đặc thù, nó không bị hấp thụ bởi khí quyển và đi thẳng ra ngoài Trái đất, dẫn đến làm mát thụ động chính vật liệu này.

Nghiên cứu này đã thôi thúc trí tò mò của TS Hưng, anh rủ thêm nhóm sinh viên có chung sở thích vật lý để làm theo. Nhưng mô phỏng thất bại. Để tạo ra 7 lớp màng mỏng, đòi hỏi kỹ thuật rất cao, máy móc rất hiện đại, trong khi điều kiện nghiên cứu của anh khi đó không đáp ứng được.

Năm 2018, anh đổi hướng nghiên cứu làm mát bức xạ bằng phương pháp hóa học. Điều đặc biệt là phương pháp này rất đơn giản, có khả năng sản xuất đại trà.

TS Hưng đã nhanh chóng đạt được các thành công ban đầu. Sơn bức xạ nhiệt RARE ra đời dựa trên hai nguyên lý là chống nóng phản xạ (Reflection) và làm lạnh bức xạ (Radiation).

Các bề mặt ngoài trời bị nóng lên do hấp thụ năng lượng Mặt trời. Sơn RARE sẽ phản xạ 98% năng lượng nên gần như không nhận nhiệt từ Mặt trời. Sơn có màu trắng trong toàn dải từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần.

Đối với cơ chế làm lạnh bức xạ, TS Hưng chia sẻ, do bức xạ trong vùng trong suốt của không khí, sơn RARE không làm nóng xung quanh, đồng thời giảm nhiệt mạnh. Kết hợp 2 nguyên lý này giúp các bề mặt ngoài trời gần như không bị nóng lên, luôn có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường, bất kể trời nắng như thế nào. Không có vật liệu nào trên thị trường làm được điều này mà không cần năng lượng bên ngoài.

Sơn chống nóng thông thường chỉ sử dụng cơ chế phản xạ thông qua việc trộn các hạt nano tăng cường phản xạ vào nền sơn. Sơn chống nóng do đó thiếu cơ chế làm mát bức xạ, và chỉ giảm được phần nào nhiệt chứ không thể giảm tới xấp xỉ nhiệt độ môi trường. Các loại sơn phản xạ này khá phổ biến trên thế giới, nhưng ở Việt Nam vẫn còn khá mới.

TS Hưng cũng lưu ý trên thị trường có một số loại sơn chống nóng không rõ nguồn gốc với hiệu quả giảm nhiệt kém. Đây là các loại sơn chỉ trộn các hạt vi cầu làm tăng khả năng cách nhiệt. Các loại sơn này có độ phản xạ nhiệt vừa phải, vẫn hấp thụ nhiệt của Mặt trời, dẫn đến hiệu ứng không đáng kể.

Sơn RARE của TS Nguyễn Quốc Hưng có cấu trúc giống sơn phản xạ ở chỗ có các hạt nano trộn trong nền sơn. Khác biệt là trong thành phần này, vừa có các hạt nano bức xạ, đồng thời chứa cả hạt nano phản xạ. Do đó, khi sơn phủ, bề mặt gần như không tăng nhiệt.

TS Hưng ví dụ dễ hiểu, nếu một ngôi nhà được phủ sơn làm mát sẽ giống như ngôi nhà đó nằm dưới bóng cây. Vào ban đêm, khi không nhận biết từ Mặt trời, bề mặt sơn có thể giảm 5 - 10 độ so với không khí. Vào mùa đông, khi nhiệt độ ngoài trời khoảng 15 độ C thì bề mặt sơn sẽ khoảng 5 độ C. Đây là điểm yếu duy nhất của sơn RARE, cần lưu ý khi sử dụng.

Để thử độ bền của tính năng làm mát, TS Nguyễn Quốc Hưng đưa sơn vào máy gia tốc điều kiện môi trường. Kết quả cho thấy, sơn không bị suy giảm hiệu suất theo thời gian, độ bền của sơn trên 10 năm. Tuy nhiên, lớp phủ ngoài của sơn vẫn bị bám bẩn theo thời gian dù trong sơn có cả cơ chế tự làm sạch và chống bẩn. Do vậy để đảm bảo công suất thì bề mặt sơn phủ cần được làm sạch hàng năm.

Sơn RARE có thể phủ lên tất cả các bề mặt ngoài trời như gỗ, đá, nhựa, kim loại, bê tông... Hiện tại, TS Hưng và nhóm nghiên cứu đang tập trung thử nghiệm cho kim loại (mái nhà, hộp kỹ thuật) và bê tông, tường (giải pháp chống nóng cho các công trình dân dụng) và đạt được nhiều kết quả khả quan. TS Hưng cho biết, đây là loại sơn duy nhất ở Việt Nam, chưa có sản phẩm tương tự trên thị trường. Trên thế giới chưa có công ty nào thương mại hóa thành công sản phẩm tương tự.

Điều đặc biệt ở sơn RARE là vẫn có thể pha chế theo nhiều màu khác nhau tùy theo sở thích của mỗi người, nhưng hiệu ứng giảm nhiệt sẽ giảm dần với màu đậm. Hiệu ứng giảm nhiệt mạnh nhất là với màu trắng. Một nhược điểm khác của sơn là vì gốc dung môi, có chứa VOC nên chưa thuận tiện khi thi công như sơn gốc nước. Ngoài tính năng làm mát, sơn còn có khả năng chống rỉ cho kim loại, chống nước và chống thấm.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm sản phẩm trong điều kiện thực tế nhà thép có kích thước 2x2m2 , đóng kín, không đối lưu không khí, trần cao 2m, trong điều kiện nắng nóng. Đây là thiết kế bất lợi nhất có thể về vấn đề làm mát. Nhưng kết quả thử nghiệm cho thấy, sau khi phủ sơn RARE, nhiệt độ trong nhà luôn bằng hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường.

Ông Lê Tiến Cường (Khu đô thị Nam Cường, Cổ Nhuế 1, Bắc Từ Liêm, Hà Nội) cho biết, gia đình ông đã sử dụng thử nghiệm sơn RARE cho ngôi nhà hơn 100m vào tháng 7/2021. Sau khi sơn phủ lên mái tôn của sân thượng, nhiệt độ các phòng tầng trên cùng giảm hẳn khoảng 30 - 40% vào những ngày nắng nóng.

Cảm nhận rõ ràng nhất là nhiệt độ trong phòng mát mẻ, dễ chịu, không còn cái nóng hầm hập giữa trời nắng 38 độ C nữa. Sau 3 tháng, lớp sơn vẫn bền, bám dính chắc, màu sáng, rất ít bẩn, hiệu ứng giảm nhiệt rất rõ ràng.

Công nghệ của TS Nguyễn Quốc Hưng vừa được chọn tham gia Chương trình cố vấn từ xa và hỗ trợ thương mại hóa công nghệ do Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới (WIPO) tổ chức dành cho Mạng lưới IP-HUB mà Đại học Quốc gia Hà Nội là một thành viên.