Hãy hình dung đến việc quần áo của bạn có thể tỏa đủ nhiệt, theo nhu cầu, để giữ cho bạn ấm áp và dễ chịu và sau đó bạn có thể điều chỉnh lại mức nhiệt để vẫn cảm thấy thoải mái trong một căn phòng lạnh hơn. Hoặc, hình dung kính chắn gió xe ô tô tích trữ năng lượng mặt trời và sau đó giải phóng nó dưới dạng một vụ nổ nhiệt để làm tan lớp băng đọng bên trên.

Theo một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT, chẳng bao lâu nữa cả hai kịch bản trên đều có thể trở thành hiện thực nhờ một loại vật liệu mới có thể tích trữ năng lượng mặt trời vào ban ngày, sau đó giải phóng nó dưới dạng nhiệt khi cần. Màng polymer trong suốt này có thể được tích hợp lên nhiều bề mặt khác nhau, chẳng hạn như kính cửa sổ hoặc quần áo.

Mặc dù mặt trời là một nguồn năng lượng gần như vô tận nhưng nó chỉ có sẵn khoảng một nửa thời gian chúng ta cần, trong thời gian có ánh sáng mặt trời. Để mặt trời trở thành một nguồn cung cấp năng lượng chính cho các nhu cầu của con người, cần có một phương pháp tích trữ nó hiệu quả để sử dụng vào ban đêm và trong những ngày mưa bão. Hầu hết các nỗ lực như vậy đều tập trung vào việc tích trữ và chuyển đổi năng lượng mặt trời dưới dạng điện năng, nhưng phát hiện mới đây có thể cung cấp một phương pháp tích trữ năng lượng mặt trời hiệu suất cao thông qua một phản ứng hóa học và sau đó giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Phát hiện mới này của các nhà nghiên cứu MIT được mô tả trên tạp chí Advanced Energy Materials. Nhóm nghiên cứu cho biết, chìa khóa cho phương pháp tích trữ nhiệt mặt trời dài hạn, ổn định là tích trữ nó dưới dạng một phản ứng hóa học chứ không phải là tích trữ bản thân nhiệt. Trong khi nhiệt chắc chắn hao mòn theo thời gian cho dù vật liệu cách nhiệt chứa nó tốt đến đâu chăng nữa, một hệ thống tích trữ hóa học có thể giữ lại năng lượng vô thời hạn trong một cấu hình phân tử ổn định cho đến khi nó được giải phóng bằng cách tạo ra một cú sốc nhiệt (hay ánh sáng hoặc điện) nhẹ.

Điều quan trọng là một phân tử có thể duy trì ổn định ở một trong hai cấu hình khác nhau. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, năng lượng của ánh sáng đẩy các phân tử vào trong cấu hình “tích điện” của chúng và chúng có thể duy trì trạng thái như vậy trong thời gian dài. Sau đó, khi được kích hoạt bởi một nhiệt độ thích hợp hoặc bằng các kích thích khác, các phân tử cụm lại hình dạng ban đầu của chúng, tạo ra một vụ nổ nhiệt trong quá trình này.

Mặc dù vật liệu tích trữ dựa vào phương pháp hóa học như vậy, được gọi là STF (solar thermal fuel-năng lượng nhiệt mặt trời), đã được phát triển từ trước, bao gồm cả nghiên cứu trước đây của Grossman và nhóm nghiên cứu của ông. Nhưng những nỗ lực trước đó “có những hạn chế về tính tiện dụng trong các ứng dụng ở trạng thái rắn” do chúng được thiết kế để sử dụng trong các dung dịch lỏng và không có khả năng chế tạo màng ổn định ở trạng thái rắn, Zhitomirsky nói. Phương pháp tiếp cận mới này lần đầu tiên dựa trên một vật liệu ở trạng thái rắn, trong trường hợp này là polymer, và lần đầu tiên dựa trên vật liệu rẻ tiền và công nghệ chế tạo phổ biến.

“Công trình nghiên cứu này trình bày một lộ trình thú vị cho việc đồng thời thu hoạch và tích trữ năng lượng trong một loại vật liệu duy nhất”, Ted Sargent, giáo sư tại Đại học Toronto, người không tham gia vào nghiên cứu này cho biết.

Việc chế tạo vật liệu mới này chỉ đòi hỏi một quy trình hai bước “rất đơn giản và có thể mở rộng”, GS. Cho cho biết. Hệ thống này được dựa trên công trình nghiên cứu trước đó phát triển bếp năng lượng mặt trời có thể tích trữ nhiệt mặt trời để đun nấu sau khi mặt trời lặn, nhưng công nghệ đó có những hạn chế nhất định. Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng nếu vật liệu tích trữ nhiệt có thể được chế tạo dưới dạng một màng mỏng thì nó có thể được tích hợp vào nhiều vật liệu khác nhau, bao gồm cả thủy tinh hoặc thậm chí cả vải.

Để chế tạo màng mỏng có khả năng tích trữ một lượng nhiệt hữu dụng và để đảm bảo rằng nó có thể được chế tạo dễ dàng và đáng tin cậy, nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu azobenzene, loại vật liệu thay đổi cấu hình phân tử của chúng khi tiếp xúc với ánh sáng. Azobenzene sau đó có thể được kích thích bởi một xung nhiệt rất nhỏ để trở lại cấu hình ban đầu của chúng và giải phóng nhiều nhiệt hơn trong quá trình này. Các nhà nghiên cứu biến đổi tính chất hóa học của vật liệu để cải thiện mật độ năng lượng (lượng năng lượng có thể được tích trữ trong một khối lượng nhất định), khả năng hình thành các lớp mịn, đồng đều của vật liệu và phản ứng của nó với việc kích hoạt xung nhiệt.

Vật liệu mà họ thu được có độ trong suốt cao, có thể được sử dụng làm kính chắn gió xe ô tô có khả năng làm băng tan. Mặc dù nhiều xe ô tô đã có các dây điện trở cao mảnh được gắn vào các cửa sổ phía sau cho mục đích làm băng tan nhưng bất cứ vật gì làm ảnh hưởng đến tầm nhìn qua cửa sổ phía trước đều bị pháp luật nghiêm cấm, thậm chí cả các sợi dây mảnh. Trong khi đó, màng trong suốt được làm bằng vật liệu mới này, được kẹp giữa hai lớp kính có thể cung cấp hiệu ứng phá băng tương tự mà không gây cản trở tầm nhìn.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các thuộc tính của lớp màng này. Vật liệu hiện có ánh vàng nhẹ, do đó, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để cải thiện độ suốt trong của vật liệu. Và nó có thể tạo ra một vụ nổ nhiệt có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ xung quanh khoảng 100C, đủ cho các ứng dụng làm băng tan, nhưng các nhà nghiên cứu đang cố gắng để đẩy lên đến 200C. Hiện tại, hệ thống này đã có thể giúp giảm 30% lượng năng lượng ô tô điện sử dụng để sưởi ấm và làm băng tan trong điều kiện thời tiết lạnh, Grossman nói.