Kính thủy tinh có khả năng "biến hình" khi gặp nước

Loại thủy tinh mới có thể thay đổi độ mờ, sáng khi gặp nước. Không chỉ cải thiện hiệu quả của các tấm pin năng lượng mặt trời và đèn LED, loại thủy tinh này còn có khả năng tự làm sạch.

Cấu trúc "cỏ" nano cho phép thủy tinh chuyển đổi độ mờ đục khi tiếp xúc với nước

Sử dụng cấu trúc tương tự cấu trúc của cỏ dại ở kích thước nano, các nhà nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh, Pennsylvania đã tạo ra loại kính thủy tinh cho phép tia sáng xuyên qua khi đang ở trạng thái mờ đục. Đây là lần đầu tiên thủy tinh có khả năng truyền sáng với độ mờ cao được chế tạo. Sự kết hợp của 2 tính chất này có thể giúp tăng hiệu năng của tấm pin mặt trời và đèn LED.

Cấu trúc cỏ nano (nanograss).

Loại kính thủy tinh này còn sở hữu một khả năng vô cùng đặc biệt: có thể chuyển đổi từ mờ đục thành trong suốt khi gặp nước. Điều này rất hữu ích trong việc tạo ra cửa sổ thông minh thay đổi độ mờ đục để kiểm soát sự riêng tư của một căn phòng hoặc để ngăn chặn ánh mặt trời chói chang.

Paul W. Leu thuộc Trường Kỹ thuật Swanson của trường Đại học Pittsburgh, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Hiện nay, loại kính thủy tinh có thể thay thế có giá khá đắt vì nó sử dụng lớp dẫn điện trong suốt để áp dụng điện áp trên toàn bộ tấm kính. Loại kính thủy tinh của chúng tôi sẽ có giá thành rẻ hơn vì độ mờ đục của nó có thể thay đổi trong tích tắc chỉ bằng thao tác vô cùng đơn giản: sử dụng hoặc lau đi chất lỏng trên bề mặt".

Các nhà nghiên cứu mô tả loại kính thủy tinh mới dựa trên cấu trúc cỏ nano, đạt được độ truyền sáng 95% và độ mờ cao cùng một lúc. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm kính thủy tinh được phủ cấu trúc cỏ, cao khoảng 0,8 đến 8,5 micromet với những phiến lá mà mỗi chiếc lá có đường kính vài trăm nanomet.

Sự khám phá ra khả năng chuyển đổi độ mờ là một trong những khám phá quan trọng nhất. "Tôi khám phá ra khả năng trở nên trong suốt khi tiếp xúc mới nước của loại thủy tinh này khi tôi đang vệ sinh nó bằng nước", nghiên cứu sinh Sajad Haghanifar, thành viên nhóm nghiên cứu, chia sẻ.

Giải thích cho phát hiện này mang tính ngẫu nhiên, Sajad Haghanifar cho biết: "Cấu trúc nano cực kỳ ưa nước. Khi đưa nước vào giữa cấu trúc nano sẽ làm cho kính nano hoạt động như một chất nền phẳng. Vì nước có một chỉ số khúc xạ rất giống kính, nên ánh sáng đi xuyên qua nó dễ dàng. Khi nước được lấy đi, ánh sáng chạm tới các cấu trúc nano tán xạ và làm cho thủy tinh trở nên mờ đục".

Sử dụng công nghệ "cỏ" nano để cải thiện tế bào năng lượng mặt trời

Nhóm của Leu đã phát triển loại kính thủy tinh mới này để cải thiện khả năng thu giữ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa chúng thành năng lượng của các tấm pin mặt trời. Các mô hình cấu trúc cỏ nano có thể ngăn ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt của tấm pin mặt trời, phát tán ánh sáng đi vào kính, giúp nhiều ánh sáng đến được vật liệu bán dẫn trong pin mặt trời và chuyển hóa thành điện năng.

Loại thủy tinh mới có thể được chuyển từ mờ đến trong suốt khi gặp nước. Trong ảnh: việc loại bỏ nước khỏi kính làm cho nó trở nên mờ đục.

Thủy tinh mới sử dụng một mẫu cấu trúc nano độc đáo trông giống cấu trúc của cỏ dại. Bởi vì cấu trúc này cao hơn cấu trúc nano đã sử dụng trước đây nên chúng tăng khả năng tán xạ ánh sáng.

Thực tế, loại kính thủy tinh mờ đục có độ truyền sáng cao cũng có thể ứng dụng cho đèn LED nhưng cách thức hoạt động theo hướng trái ngược với pin mặt trời. Đó là sử dụng điện đi vào chất bán dẫn để tạo ra ánh sáng sau đó phát ra khỏi thiết bị. Loại thủy tinh mới có khả năng giúp tăng lượng ánh sáng tạo ra từ thiết bị bán dẫn phát ra bên ngoài.

Tìm đúng chiều cao "cỏ"

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, cỏ nano thấp có khả năng cải thiện tính phản xạ của thủy tinh, trong khi cỏ nano có chiều cao dài hơn có xu hướng làm tăng độ mờ. Kính thủy tinh cấu trúc cỏ nano với độ cao 4,5 micromet sẽ cho kết quả tương đối hoàn hảo: cải thiện 95,6% khả năng truyền dẫn và 96,2% độ mờ đối với ánh sáng bước sóng 550 nanomet (ánh sáng màu vàng, một thành phần của ánh sáng mặt trời).

Văn bản có thể được đọc thông qua kính thông thường, trong khi loại thủy tinh mới với cơ cấu nano phân tán ánh sáng, khiến văn bản trở nên "vô hình".

Mặc dù còn rất nhiều việc phải làm để ước tính chi phí chính xác nhất cho quá trình sản xuất loại kính thủy tinh mới này, nhưng các nhà nghiên cứu dự đoán sản phẩm của họ sẽ có mức giá thấp vì rất dễ sản xuất. Các cấu trúc nano được phủ lên thủy tinh bằng phương pháp khắc ion phản ứng, một phương pháp thường được sử dụng để tạo ra các bảng mạch in.

Để chế tạo kính thủy tinh thành một cửa sổ thông minh có khả năng chuyển đổi độ mờ sáng đòi hỏi kết hợp cả loại kính truyền thống áp bên dưới. Chất lỏng sẽ được bơm vào khoảng trống giữa 2 loại kính và sử dụng quạt hoặc máy bơm loại bỏ nước. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, ngoài nước, việc áp dụng axeton và toluene cũng có thể chuyển đổi độ trong, mờ của kính.

"Chúng tôi đang tiến hành thử nghiệm độ bền trên kính cấu trúc cỏ nano mới và đang đánh giá tính chất tự làm sạch của nó. Thủy tinh tự làm sạch rất hữu ích vì nó không đòi hỏi phải có người hoặc robot lau bụi bẩn để đảm bảo hiệu quả của tấm pin năng lượng mặt trời cho dù nó có được đặt trên nhà bạn hay trên Sao Hỏa", Haghanifar cho biết thêm.