Quần áo siêu cách nhiệt

Việc nhúng phủ dung dịch sợi nano bạc (AgNW) có khả năng cách nhiệt-bức xạ rất cao cho quần áo không những giúp cho người mặc giữ ấm cơ thể trong suốt mùa đông mà chúng còn có thể giảm hoặc thậm chí loại bỏ các nhu cầu sưởi ấm cho căn nhà của chúng ta. Với 47% năng lượng toàn cầu được sử dụng cho việc sưởi ấm trong nhà và 42% trong số đó được dùng để sưởi ấm nhà ở, do vậy sản phẩm quần áo cách nhiệt tốt này cho thấy có tiềm năng tiết kiệm chi phí cực lớn.

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu là giáo sư Yi Cui, cùng với nghiên cứu sinh Po-Chun Hsu và các chuyên gia khác đã công bố việc chế tạo thành công các loại vải được phủ AgNW trên tạp chí Nano Letters.

Theo giải thích của các nhà nghiên cứu, hầu hết các chiến lược giảm sưởi ấm trong nhà tập trung vào việc cải thiện sự cách nhiệt của các tòa nhà, chẳng hạn như sử dụng các loại cửa sổ có mức phát xạ thấp và cách điện có giá trị điện trở cao. Tuy nhiên, phần lớn năng lượng này vẫn bị lãng phí khi sưởi cả không gian trống và các đồ vật vô tri vô giác.

Để tránh sự lãng phí năng lượng này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chiến lược có tên gọi là “quản lý nhiệt cá nhân”, trong đó tập trung vào việc giữ nhiệt cho con người. Họ đã chứng minh những loại quần áo được nhúng trong dung dịch sợi nano kim loại, như AgNWs, đạt được mục tiêu này bằng cách giữ nhiệt thụ động cũng như cấp nhiệt khi kết nối với nguồn điện bên ngoài.

Ưu điểm chính của các loại quần áo phủ AgNW này là nó có khả năng phản xạ trên 90% nhiệt độ cơ thể của một người (sự bức xạ hồng ngoại) trở lại người đó. Khả năng phản xạ này thậm chí cao hơn nhiều so với các loại áo len giữ ấm nhất, do vật liệu quần áo thông thường này phản xả trở lại chỉ khoảng 20% nhiệt độ cơ thể.

Sự gia tăng phản xạ này là so sự khác biệt về độ phát xạ của vật liệu, đây là đại lượng đo bức xạ nhiệt. Các loại vật liệu có độ phát xạ thấp như bạc (độ phát xạ là 0.02), bức xạ ít hơn vì vậy cách nhiệt tốt hơn các loại vật liệu có độ bức xạ cao như các loại vải thông thường (độ phát xạ khoảng 0.8).

Dĩ nhiên, việc mặc các loại quần áo được làm hoàn toàn bằng bạc sẽ không thoải mái, chưa kể giá thành đắt. Một lý do chính cho sự bất tiện này là do bạc (giống như tất cả các kim loại khác) không thoáng khí. Ví dụ, các loại chăn Mylar, được làm bằng nhôm và plastic, đều rất ấm nhưng không thoáng khí, khiến cho hơi ẩm tích tụ trên da của người.

Loại quần áo phủ AgNW mới này rất thoáng khí là do cấu trúc xốp của sợi nano. Khoảng cách giữa các sợi nano khoảng 300nm cung cấp đủ không gian để các phân tử hơi nước (có kích cỡ khoảng 0.2 nm) đi qua, nhưng vẫn quá nhỏ để cho phép nhiệt độ cơ thể đi qua, bởi vì bức xạ của cơ thể người có bước sóng bằng khoảng 9 µm do đó các tương tác với vải sợi nano như thể nó là một màng kim loại liền và bị phản xạ lại.

Loại quần áo phủ dung dịch AgNW sẽ có cảm giác gần như giống hệt với quần áo bình thường bởi vì một lượng rất nhỏ dung dịch AgNW là đủ đáp ứng được yêu cầu về độ phản xạ cao. Với loại vải cotton nhúng bọc vào trong dung dịch AgNW chỉ cần thêm 0,1g/m², như vậy sẽ ít hơn 1 gram đối với một bộ áo quần. Chỉ có một phần nhỏ trong đó là bạc, do đó giá thành sẽ tương đối rẻ. Việc sử dụng các chất kim loại khác như đồng, niken, nhôm, là những kim loại có đặc tính tương tự như bạc cũng có thể giảm giá thành xuống thấp hơn nữa.

Ngoài việc cung cấp vật liệu có mức cách nhiệt thụ động cao, quần áo phủ bọc AgNW có thể cũng sinh ra nhiệt Joule khi kết nối với một nguồn điện (chẳng hạn như bộ pin). Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một điện thế 0,9V có thể tăng nhiệt độ quần áo lên đến 380C một cách an toàn, nhiệt độ này cao hơn 10C so với nhiệt độ trung bình của cơ thể người là 37 °C.

Những thay đổi như nhiệt độ ngoài trời, độ dài của mùa đông và diện tích ngôi nhà khiến cho khó có thể tính toán một cách chính xác lượng năng lượng mà một người có thể tiết kiệm được khi mặc bộ quần áo có phủ dung dịch AgNW. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã tính sơ bộ được lượng năng lượng sưởi ấm mỗi người mỗi ngày tiết kiệm được ước tính là 8.5 kWh, hoặc 1.000 kWh mỗi năm với giả thiết hệ thống sưởi ấm hoạt động suốt 4 tháng mỗi năm. Ước tính này dựa trên nhu cầu công suất sưởi ấm trung bình của mỗi người là 367 W, so với 12W quy định cho loại quần áo phủ lớp dung dịch AgNW này khi nó hoạt động.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng nếu tiết kiệm được 1.000 kWh điện năng tiêu thụ sẽ tương đương với nguồn năng lượng phát ra từ tấm năng lượng mặt trời có kích thước 2m2. Việc bổ sung, chế tạo, lắp đặt và bảo trì tấm năng lượng mặt trời có thể sẽ đắt hơn nhiều so với loại quần áo phủ bọc dung dịch AgNW này.

Khi thử nghiệm tuổi thọ loại quần áo phủ bọc dung dịch AgNW này, các nhà nghiên cứu nhận thấy nó có thể chịu được nhiều lần giặt mà vẫn giữ được các đặc tính điện của nó. Điều đáng ngạc nhiên là điện trở giảm xuống sau hai lần giặt đầu tiên, điều này có thể là do việc loại bỏ lớp phủ bổ xung trên AgNWs và sự gia tăng mật độ bọc kín các lưới sợi nano, và điện trở ổn định sau lần giặt thứ ba.

Họ cũng đã chế tạo vào thử nghiệm các loại quần áo được phủ dung dịch ống nano cacbon. Tuy nhiên, các ống nano cacbon mặc dù có tính dẫn điện và do đó phù hợp với nhiệt Joule, nhưng độ phản xạ của chúng cao tới 0.98, không cho phép chúng phản xạ nhiệt cơ thể như lớp phủ AgNW.

Theo Vista.gov.vn