Vật liệu phát sáng trong tương lai

Đá Bologna lần đầu được con người điều chế để trở thành chất phát quang bền bỉ. 

Đá Bologna là một dạng khoáng chất baryte và có thể phát sáng trong bóng tối.

Đã có nhiều vật liệu phát sáng xuất hiện sau đó và ngày nay, được sử dụng để trang trí, chiếu sáng, đánh dấu vỉa hè… Một ngày nào đó chúng ta sẽ thấy những thành phố phát sáng, mát hơn và sử dụng ít điện hơn.

Vật liệu phát quang tiết kiệm điện

Khoảng năm 1603, thợ đóng giày và cũng là nhà giả kim nghiệp dư Vincenzo Casciarolo đã thử nấu chảy một số loại đá đặc biệt dày đặc mà ông tìm thấy trên sườn núi Paderno, gần Bologna, Italy. Casciarolo đã phát hiện ra một điều thú vị, nếu ông cho vật liệu này tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời và sau đó đưa vào phòng tối, viên đá sẽ phát sáng.

Phát hiện trên đã mở ra một thế hệ vật liệu phát quang mới có tiềm năng làm mát các thành phố bằng cách tái phát ra ánh sáng. Chúng giúp cắt giảm việc sử dụng năng lượng vì vỉa hè phát quang, vạch kẻ đường phát sáng hoặc thậm chí các tòa nhà phát sáng có thể thay thế một số đèn điện.

Những vật liệu phát quang như vậy hoạt động bằng cách “bẫy” năng lượng của một photon và sau đó phát lại năng lượng đó dưới dạng ánh sáng có bước sóng thấp hơn.

Đôi khi ánh sáng được phát ra ngay lập tức, chẳng hạn như trong bóng đèn huỳnh quang. Các vật liệu khác, được coi là phát quang bền bỉ, lưu trữ năng lượng lâu hơn và phát ra ánh sáng chậm hơn.

Một vấn đề với phương pháp này là hầu hết các vật liệu phát quang sẽ không phát sáng suốt đêm. Kỹ sư Pisello (từ Đại học Perugia – Italy) cho biết, vật liệu tốt hơn có thể giúp giải quyết vấn đề này. Trong khi đó, các vật liệu hiện có có thể được kết hợp với hệ thống đèn điện chiếu sáng đủ lâu để sạc lại vạch kẻ đường trước khi tắt trở lại.

Sơn phát quang cũng có thể cung cấp ánh sáng khu vực ngoài trời. Phòng thí nghiệm của kỹ sư Pisello đã phát triển một loại sơn phát sáng trong bóng tối như vậy. Trong một báo cáo năm 2019, phòng thí nghiệm này mô phỏng điều sẽ xảy ra nếu họ sơn một con đường công cộng gần ga tàu bằng sơn phát quang. Họ phát hiện ra rằng, bằng cách phát sáng suốt đêm, sơn sẽ giảm khoảng 27% năng lượng cần thiết cho việc chiếu sáng ở khu vực xung quanh.

Kỹ sư Pisello nói rằng điều này gây lo lắng về việc việc toàn bộ thành phố sẽ chói mắt suốt đêm và làm tăng ô nhiễm ánh sáng có hại. Vật liệu phát quang có thể chỉ thay thế ánh sáng hiện có chứ không phải bổ sung thêm. Màu sắc của vật liệu phát sáng có thể được chọn để tránh các tần số màu xanh lam đặc biệt có hại cho động vật hoang dã.

Giúp thành phố hạ nhiệtHiện nay một số thành phố châu Âu đã lắp đặt làn đường phát sáng dành cho xe đạp và một số nhà nghiên cứu đã xem xét việc sử dụng sơn phát sáng cho vạch kẻ đường. Theo nhà vật lý môi trường đã nghỉ hưu Paul Berdahl của Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California, Mỹ, điều này tốt hơn cho môi trường vì năng lượng được sử dụng ít hơn.

Vật liệu này cũng có thể giúp chống lại cái gọi là hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Các mái nhà và vỉa hè hấp thụ năng lượng từ Mặt trời và tỏa ra dưới dạng nhiệt, khiến nhiệt độ mùa hè của thành phố cao hơn trung bình 7,7 độ C so với vùng nông thôn lân cận. Nhiệt độ cao là một mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với sức khỏe và cũng dẫn đến việc sử dụng nhiều năng lượng hơn để làm mát các tòa nhà.

Một giải pháp ngày càng phổ biến là sử dụng các vật liệu “mát mẻ” phản chiếu ánh sáng, chẳng hạn như sơn trắng và nhựa đường có màu sáng. Việc thêm các vật liệu phát quang có thể giúp ích nhiều hơn nữa.

Tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley, Berdahl và nhóm của ông đã thử nghiệm với ruby tổng hợp. Đây là vật liệu có thể phát quang khi ở dưới ánh sáng Mặt trời để tạo ra các lớp phủ màu luôn mát mẻ.

Trong thí nghiệm ban đầu, họ báo cáo rằng một bề mặt có sắc tố ruby sẽ mát hơn so với một vật liệu có màu tương tự không có sắc tố đặc biệt khi ở dưới ánh nắng Mặt trời.

Phòng thí nghiệm của kỹ sư Pisello đã thử nghiệm thêm một số vật liệu phát quang bền bỉ. Đây là những vật liệu lưu trữ năng lượng ánh sáng và tỏa ra vào bê tông một cách từ từ. So với các bề mặt không phát quang cùng màu, bề mặt tốt nhất trong số chúng làm giảm nhiệt độ không khí xung quanh vào những ngày nắng tới 3,30 C.

Có 250 vật liệu phát quang được biết tới, nhiều vật liệu trong số đó chưa được nghiên cứu để ứng dụng trong thực tế.

“Trong ngắn hạn, giải pháp tốt và dễ dàng nhất là cải thiện những gì chúng ta có” – kỹ sư Pisello nói. Điều đó bao gồm việc tinh chỉnh các vật liệu để chúng phát ra ánh sáng lâu hơn, mạnh hơn hoặc có nhiều màu sắc khác nhau và đảm bảo chúng duy trì hoạt động trong môi trường thực tế.

Bà Pisello cho biết, về lâu dài, các lớp vật liệu chế tạo mới có thể hoạt động tốt hơn nữa. Ví dụ, người ta có thể chuyển sang “chấm lượng tử”. Đây là các hạt bán dẫn cực nhỏ có thể được tạo ra để phát sáng.

Vật liệu phát sáng mạnh mẽ trong nhiều giờ có thể mở ra nhiều khả năng, chẳng hạn như các thành phố “phát sáng trong bóng tối”. Khi đó ánh sáng tỏa ra từ các tòa phát và vỉa hè phát quang giúp giảm lượng điện tiêu thụ.

Kỹ sư xây dựng Anna Laura Pisello và đồng nghiệp viết trong Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu thường niên năm 2021 rằng, 19% năng lượng toàn cầu sử dụng dành cho chiếu sáng và ở châu Âu, khoảng 1,6% năng lượng được dùng cho chiếu sáng thành phố.

Theo Inverse