ĐỜI SỐNG

Loại sơn nhẹ nhất thế giới lấy cảm hứng từ bướm

Thiện Thuật • 03-05-2023 • Lượt xem: 1422
Loại sơn nhẹ nhất thế giới lấy cảm hứng từ bướm

Giáo sư Debashis Chanda của Đại học Central Florida thuộc Trung tâm Công nghệ Khoa học Nano của UCF, đã lấy cảm hứng từ những con bướm để tạo ra chất thay thế nhiều màu tự nhiên, thân thiện với môi trường, nhẹ hơn và lâu trôi, có thể góp phần vào các nỗ lực tiết kiệm năng lượng và giúp giảm sự nóng lên toàn cầu.

Sơn plasmonic

Thay vì sơn màu dựa trên sắc tố, đòi hỏi các phân tử được tổng hợp nhân tạo. Sơn plasmonic sử dụng sự sắp xếp cấu trúc cấp độ nano của các vật liệu không màu, chẳng hạn như nhôm và oxit nhôm, để tạo ra màu sắc. Màu cấu trúc này thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng hơn vì nó phản xạ toàn bộ phổ hồng ngoại, giữ cho bề mặt mát hơn và có khả năng giảm mức sử dụng điều hòa không khí. Loại sơn này cũng cực kỳ nhẹ, với đầy đủ màu sắc đạt được ở độ dày chỉ 150 nanomet, khiến nó trở thành loại sơn nhẹ nhất trên thế giới. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất và khám phá tiềm năng tiết kiệm năng lượng của sơn cho các ứng dụng thương mại.

Sơn plasmonic do UCF phát triển sử dụng sự sắp xếp cấu trúc ở cấp độ nano của các vật liệu không màu bao gồm nhôm và oxit nhôm thay vì các sắc tố để tạo màu. Ngoài ra, sơn plasmonic được áp dụng cho cánh của những con bướm kim loại, loài côn trùng đã truyền cảm hứng cho nghiên cứu.

Giáo sư Chanda cho biết: “Phạm vi màu sắc và sắc độ trong thế giới tự nhiên thật đáng kinh ngạc từ những bông hoa đầy màu sắc, chim và bướm cho đến những sinh vật dưới nước như cá và động vật chân đầu”.

Cấu trúc màu của sơn Plasmonic

Giáo sư Chanda cho biết thêm: “Màu cấu trúc đóng vai trò là cơ chế tạo màu chính ở một số loài cực kỳ sống động, trong đó sự sắp xếp hình học của hai vật liệu không màu điển hình tạo ra tất cả các màu. Mặt khác, với sắc tố nhân tạo, các phân tử mới là cần thiết cho mọi màu hiện có”.

Dựa trên những nguồn cảm hứng sinh học như vậy, nhóm nghiên cứu của giáo sư Chanda đã đổi mới một loại sơn plasmonic, sử dụng sự sắp xếp cấu trúc cấp độ nano của các vật liệu không màu như nhôm và ôxít nhôm thay vì các sắc tố để tạo màu.

Trong khi các chất tạo màu sắc tố kiểm soát sự hấp thụ ánh sáng dựa trên đặc tính điện tử của vật liệu sắc tố và do đó mỗi màu cần một phân tử mới, thì các chất tạo màu cấu trúc kiểm soát cách ánh sáng được phản xạ, tán xạ hoặc hấp thụ hoàn toàn dựa trên sự sắp xếp hình học của các cấu trúc nano.

Những màu cấu trúc như vậy thân thiện với môi trường vì chúng chỉ sử dụng kim loại và oxit, không giống như các màu dựa trên sắc tố hiện tại sử dụng các phân tử tổng hợp nhân tạo.

Các nhà nghiên cứu cũng kết hợp các vảy màu cấu trúc của họ với chất kết dính thương mại để tạo thành các loại sơn bền màu với mọi màu sắc.

Giáo sư Chanda nhận xét: “Màu bình thường nhạt dần vì sắc tố mất khả năng hấp thụ photon. Ở đây, chúng tôi không bị giới hạn bởi hiện tượng đó. Một khi chúng ta sơn thứ gì đó bằng màu cấu trúc, nó sẽ tồn tại hàng thế kỷ”.

Ngoài ra, do sơn plasmonic phản chiếu toàn bộ quang phổ hồng ngoại nên sơn hấp thụ ít nhiệt hơn, dẫn đến bề mặt bên dưới mát hơn từ 25 độ F đến 30 độ F so với khi được phủ bằng sơn thương mại tiêu chuẩn.

Ông đánh giá rằng hơn 10% tổng điện năng ở Hoa Kỳ dành cho việc sử dụng máy điều hòa không khí. Sơn plasmonic chênh lệch nhiệt độ hứa hẹn sẽ giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể đồng thời sử dụng ít điện hơn để làm mát cũng sẽ cắt giảm lượng khí thải carbon dioxide, làm giảm sự nóng lên toàn cầu.

Sơn Plasmonic cực kỳ nhẹ

Điều này là do tỷ lệ diện tích trên độ dày lớn của sơn, với đầy đủ màu sắc đạt được ở độ dày sơn chỉ 150 nanomet, khiến nó trở thành loại sơn nhẹ nhất trên thế giới

Giáo sư Chanda cho biết loại sơn này nhẹ do có hệ số tiết diện/độ dày lớn. Để so sánh, sơn plasmonic có thể phủ lên một chiếc Boeing 747 với khối lượng chỉ khoảng 3 pound (1,35 kg) đối với loại sơn thông thường cần tới hơn 1.000 pound (454 kg).

Ông cho biết sở thích của ông đối với màu sắc cấu trúc bắt nguồn từ sự sống động của những con bướm: “Khi còn bé, tôi luôn muốn chế tạo một con bướm. Màu sắc thu hút sự quan tâm của tôi”.

Giáo sư Chanda cho biết các bước tiếp theo của dự án bao gồm việc khám phá thêm các khía cạnh tiết kiệm năng lượng của sơn để cải thiện khả năng tồn tại của nó dưới dạng sơn thương mại.

Ông nói: “Sơn bột màu thông thường được sản xuất tại các cơ sở lớn, nơi họ có thể sản xuất hàng trăm gallon sơn. Tại thời điểm này, trừ khi chúng tôi trải qua quá trình mở rộng quy mô, việc sản xuất tại phòng thí nghiệm hàn lâm vẫn rất tốn kém”.

Ở những vùng khí hậu ấm hơn, điều này sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu sử dụng điều hòa không khí và cung cấp một phương pháp bền vững hơn để giữ cho chúng ta mát mẻ. Và tất cả với sự giúp đỡ của cánh bướm.

Giáo sư Chanda kết luận:“Chúng tôi cần mang đến những thứ khác biệt như không độc hại, hiệu quả làm mát, trọng lượng siêu nhẹ, mà các loại sơn thông thường khác không thể làm được”.