Nghiên cứu về khả năng giữ ấm của gấu trắng Bắc cực và ứng dụng cho vật liệu cách nhiệt

Những nghiên cứu trước đây tin rằng lông vũ và lông mao giúp các động vật sống ở vùng cực như gấu trắng và chim cánh cụt giữ ấm bằng cách giữ một lớp khí để làm chậm quá trình dẫn nhiệt và thất thoát nhiệt từ cơ thể. Tuy nhiên, nhà khoa học sinh học lượng tử ánh sáng Priscilla Simonis và nhóm của cô đã phát hiện ra rằng nhiệt thất thoát được phân tách bởi không khí bị tác động nhiều hơn bởi bức xạ nhiệt thay vì dẫn nhiệt.

Bằng các mô hình máy tính, nhóm nghiên cứu đã cho thấy cách lớp bảo vệ bức xạ - được sử dụng để mô phỏng các sợi lông mao trong bộ lông của gấu trắng, tán xạ ngược nhiệt một cách rất hiệu quả. Tán xạ ngược là sự đổi hướng của năng lượng theo một góc tối đa 90 độ từ nguồn phát. Sự đổi hướng này không chỉ giới hạn ở quang phổ hồng ngoại, hay nhiệt độ mà còn phản chiếu ánh sáng thấy được, giúp động vật ngụy trang trong điều kiện băng tuyết bằng cách khiến lớp lông bao phủ bên ngoài tiệp màu với môi trường, ở đây là màu trắng. Mặc dù có thể thấy được nhưng lông mao của gấu trắng thực chất lại trong suốt. Khi sử dụng càng nhiều lớp bảo vệ bức xạ - ở đây là thêm nhiều lông, lượng nhiệt thất thoát đã giảm đi đáng kể.

Mô hình máy tính bao gồm 2 chiếc máy điều nhiệt nóng và lạnh để mô phỏng cơ thể động vật và môi trường lạnh bên ngoài. 2 nguồn nhiệt được phân tách bởi một túi khí trong đó có chứa các lớp bảo vệ bức xạ. Trong thử nghiệm đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã đặt vào khoảng trống giữa 2 máy điều nhiệt các lớp bảo vệ có tên black-body (toàn bộ lông mao màu đen) với khả năng hấp thụ toàn bộ bức xạ nhiệt và ánh sáng. Mục tiêu của họ là quan sát khả năng truyền dẫn nhiệt thông qua không khí.

Trong thử nghiệm tiếp theo, họ thay lớp bảo vệ black-body bằng các lớp grey-body (toàn bộ lông mao màu xám) chắn sáng để giảm tỉ lệ truyền dẫn và phản chiếu ánh sáng. Các lớp bảo vệ này mô phỏng lớp lông mao và lông vũ của động vật tại vùng cực. Họ nhận ra rằng bằng cách tăng hệ số phản xạ của lớp bảo vệ grey-body hay nói đơn giản là thêm vào khoảng trống giữa 2 máy điều nhiệt nhiều lớp bảo vệ hơn, tỉ lệ truyền dẫn nhiệt đã giảm đi đột ngột.


Simonis cho biết: "Đặc tính này rất hữu ích đối với động vật, chẳng hạn như động vật có vú và chim chóc sinh sống tại các khu vực băng tuyết." Phát hiện của Simonis cũng mở ra một câu hỏi rằng tại sao việc chế tạo các vật liệu cách nhiệt vẫn không đạt hiệu quả cao trong khi gấu trắng Bắc cực chỉ với bộ lông dày vài inch lại có thể cách ly cơ thể ở nhiệt độ 37 độ C với nhiệt độ bên ngoài xuống đến - 40 độ C.

"Tại sao chúng ta phải cần đến những tấm bông khoáng hay bông thủy tinh cách nhiệt dày ít nhất 60 cm để cách ly nhiệt độ 20 độ C bên trong từ nhiệt độ - 5 độ C bên ngoài. Tại sao bộ lông của gấu trắng lại hiệu quả hơn so với những gì chúng ta có thể phát triển dành cho ngôi nhà của mình," Simonis đặt câu hỏi.

Cô gợi ý rằng nghiên cứu trên có thể mang lại một loạt các ứng dụng cho con người và có thể dẫn đến sự phát triển của các loại vật liệu cách nhiệt siêu mỏng mới. Không chỉ được dùng để cách nhiệt cho các tòa nhà, vật liệu còn có thể được dùng trong quần áo ấm, túi ngủ và trang thiết bị sinh tồn.

Nghiên cứu của Simonis cùng các công sự đã vừa được đăng tải trên tạp chí Optics Express.