Các nhà khoa học tại Đại học Pennsylvania (Mỹ) đã phát triển một loại vật liệu xây dựng mới có khả năng làm mát thụ động bằng cách kết hợp xi măng Portland với đất tảo cát. Lấy cảm hứng từ cấu trúc da voi, vật liệu được thiết kế với hệ thống lỗ rỗng và mạng lưới vết nứt có kiểm soát, giúp hấp thụ, phân phối và giữ nước trên bề mặt. Khi nước bay hơi, nhiệt được lấy từ môi trường xung quanh, qua đó làm giảm nhiệt độ bề mặt mà không cần máy nén hay hệ thống điều hòa không khí thông thường.
Vật liệu xi măng lấy cảm hứng từ da voi giúp làm mát công trình mà không cần điều hòa
Nghiên cứu mang tên Elephant-Skin-Inspired Porous Cementitious Tiles with Programmable Crack Networks for Passive Cooling (Gạch xi măng xốp lấy cảm hứng từ da voi với mạng lưới vết nứt có thể điều chỉnh để làm mát thụ động) được công bố trên tạp chí Advanced Materials vào năm 2026. Công trình hướng đến giải quyết một vấn đề quan trọng trong làm mát bay hơi: nước có thể chảy tràn, phân bố không đồng đều hoặc thoát đi quá nhanh trước khi quá trình bay hơi phát huy hiệu quả.
Mô phỏng cơ chế giữ nước của da voi
Ý tưởng phát triển vật liệu bắt nguồn từ đặc điểm bề mặt da voi. Các rãnh, nếp gấp và vết nứt nhỏ trên da giúp giữ nước và bùn sau khi tiếp xúc với chất lỏng. Nhờ đó, nước được lưu giữ lâu hơn trên bề mặt, tạo điều kiện cho quá trình bay hơi diễn ra kéo dài và hỗ trợ điều hòa thân nhiệt.
Nhóm nghiên cứu đã chuyển nguyên lý sinh học này sang vật liệu xây dựng bằng cách chủ động kiểm soát vị trí, hình dạng và mật độ của các vết nứt. Thay vì chỉ xem vết nứt là khuyết điểm cần loại bỏ, các nhà khoa học biến chúng thành những kênh dẫn mao dẫn, giúp nước lan rộng trên bề mặt, di chuyển đến các khu vực lân cận và hạn chế chảy thoát ra ngoài.
Điểm đáng chú ý là các vết nứt không hình thành hoàn toàn ngẫu nhiên. Nhóm nghiên cứu sử dụng cấu trúc nền để tập trung ứng suất tại những vị trí xác định, từ đó định hướng quá trình nứt khi vật liệu khô. Phương pháp này giúp tạo ra mạng lưới vết nứt có hình dạng dự kiến, thay vì để các vết nứt phát triển tự phát như trong vật liệu xi măng thông thường.
Đất tảo cát giúp hút nước trong chưa đầy 50 mili giây
Đất tảo cát là vật liệu có nguồn gốc từ tàn tích hóa thạch của tảo cát, chứa nhiều lỗ rỗng kích thước vi mô và nano. Cấu trúc xốp này tạo điều kiện cho nước được hút vào vật liệu nhanh chóng nhờ hiện tượng mao dẫn. Theo nghiên cứu, quá trình thấm hút nước có thể diễn ra trong chưa đầy 50 mili giây.
Trong hỗn hợp thử nghiệm, đất tảo cát chiếm khoảng 50% thành phần rắn, giúp tạo cấu trúc xốp hơn so với vật liệu xi măng thông thường. Trong khi đó, nền xi măng cung cấp độ bền và khả năng tương thích với các lớp phủ xây dựng hiện có.
Hai thành phần đảm nhiệm những chức năng bổ trợ cho nhau: các lỗ rỗng trong đất tảo cát giúp hút và lưu giữ nước, còn mạng lưới vết nứt đóng vai trò như hệ thống kênh dẫn, phân phối chất lỏng trên diện tích rộng hơn. Sự kết hợp này giúp hạn chế hiện tượng nước đọng tại một vị trí rồi nhanh chóng chảy khỏi bề mặt.
Mạng lưới vết nứt hình lục giác cho hiệu quả tốt nhất
Để tìm ra cấu trúc phù hợp, nhóm nghiên cứu đã khảo sát nhiều dạng mạng lưới vết nứt, bao gồm hình tam giác, hình vuông và hình lục giác, đồng thời thay đổi mật độ của các đường nứt.
Kết quả cho thấy mạng lưới hình lục giác có mật độ trung bình đạt hiệu quả phân phối nước tốt. Cấu trúc này giúp nước lan theo phương ngang trên bề mặt, đồng thời làm chậm quá trình thoát nước qua các cạnh. Nếu các đường nứt quá dày hoặc quá thưa, khả năng phân phối và giữ nước có thể không đạt mức tối ưu.
Nhờ điều chỉnh hình học của mạng lưới, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát tốt hơn cách nước di chuyển và thời gian lưu lại trên vật liệu. Đây là yếu tố quan trọng vì hiệu quả làm mát không chỉ phụ thuộc vào lượng nước được hấp thụ ban đầu mà còn phụ thuộc vào cách nước được phân phối và bay hơi theo thời gian.
Nhiệt độ bên dưới vật liệu thấp hơn tới 20°C
Để đánh giá hiệu quả làm mát, nhóm nghiên cứu tiến hành các thử nghiệm so sánh giữa vật liệu xi măng–đất tảo cát có mạng lưới vết nứt hình lục giác, vữa trát tường thương mại có vết nứt và vữa trát tường thương mại không có vết nứt.
Các mẫu được cung cấp cùng lượng nước và trải qua những chu kỳ gia nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp làm ướt. Trong mô hình thử nghiệm, nhiệt độ đo được bên dưới vật liệu mới duy trì ở khoảng 32°C. Trong khi đó, nhiệt độ bên dưới lớp vữa thương mại có vết nứt đạt khoảng 42°C, còn mẫu vữa không có vết nứt đạt khoảng 52°C.
Như vậy, trong điều kiện thử nghiệm này, nhiệt độ bên dưới vật liệu mới thấp hơn khoảng 10°C so với mẫu vữa thương mại có vết nứt và thấp hơn khoảng 20°C so với mẫu không có vết nứt.
Các thử nghiệm khác cũng cho thấy cấu trúc hình lục giác có thể duy trì nhiệt độ bề mặt thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh trong thời gian lên tới khoảng 20 giờ với cùng lượng nước ban đầu. Kết quả cho thấy việc kiểm soát đường đi và khả năng lưu giữ nước có thể kéo dài hiệu quả làm mát mà không cần liên tục bổ sung một lượng nước lớn.
Thử nghiệm trên mô hình mái nhà
Ngoài các mẫu vật liệu nhỏ, nhóm nghiên cứu còn chế tạo mô hình ngôi nhà thu nhỏ với mái nghiêng và phủ các tấm vật liệu xi măng–đất tảo cát để đánh giá khả năng ứng dụng trong kết cấu xây dựng. Thử nghiệm này giúp kiểm tra hiệu quả của vật liệu trên một bề mặt có độ dốc, nơi nước thường dễ chảy xuống và thoát khỏi mái hơn so với bề mặt nằm ngang.
Mạng lưới vết nứt được thiết kế để dẫn nước dọc theo và ngang qua bề mặt nghiêng, tăng khả năng giữ nước tại các vị trí cần thiết. Cách tiếp cận này có thể phù hợp với các cấu kiện như mái nhà, tấm ốp mặt tiền và lớp phủ bên ngoài công trình.
Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm phương pháp phun hỗn hợp lên các tấm lưới có kích thước khoảng 51 × 64 cm, cho thấy quy trình chế tạo có thể được triển khai trên diện tích lớn hơn các mẫu ban đầu. Tuy nhiên, khả năng mở rộng sản xuất và duy trì tính đồng nhất của mạng lưới vết nứt vẫn cần được đánh giá thêm.
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng và những thách thức
Làm mát bay hơi là quá trình nước hấp thụ nhiệt từ môi trường khi chuyển từ thể lỏng sang thể hơi. Khác với hệ thống điều hòa sử dụng máy nén và môi chất lạnh, phương pháp này không cần chu trình làm lạnh cơ học tại bề mặt vật liệu. Nếu được ứng dụng phù hợp, lớp phủ có thể góp phần giảm nhiệt mà mái nhà và tường ngoài hấp thụ, qua đó hỗ trợ giảm nhu cầu làm mát bên trong công trình.
Ưu điểm tiềm năng của vật liệu là sử dụng những thành phần tương đối phổ biến, có thể tạo hình thành các tấm hoặc lớp phủ và tận dụng mạng lưới vết nứt để tăng hiệu quả sử dụng nước. Công nghệ này cũng gợi mở hướng thiết kế vật liệu xây dựng dựa trên các cơ chế tự nhiên, trong đó những đặc điểm thường bị xem là nhược điểm có thể được khai thác để thực hiện chức năng mới.
Dù vậy, kết quả trong phòng thí nghiệm không đồng nghĩa với việc lớp phủ sẽ tự động làm giảm nhiệt độ trong nhà 20°C hoặc thay thế hoàn toàn điều hòa không khí. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí, cường độ bức xạ mặt trời, lượng nước cung cấp, hướng và độ dốc của bề mặt, khả năng cách nhiệt cũng như thông gió của công trình. Trong môi trường có độ ẩm cao, tốc độ bay hơi thường giảm, khiến hiệu quả làm mát suy yếu.
Ngoài ra, cần tiếp tục đánh giá độ bền cơ học, khả năng chống chịu thời tiết, hiện tượng tích tụ khoáng chất trong lỗ rỗng, nguy cơ tắc nghẽn các kênh dẫn và hiệu quả vận hành trong thời gian dài. Việc cung cấp nước cũng cần được tính toán để bảo đảm lợi ích làm mát không bị đánh đổi bằng mức tiêu thụ nước quá lớn.
Build.Data
