kanonehilbert000
Pearl
Chất phát quang có thể được sử dụng cho vỉa hè, đường phố và các tòa nhà.
Vào năm 1603, thợ đóng giày người Ý kiêm nhà giả kim nghiệp dư Vincenzo Casciarolo đã thử nấu chảy một số loại đá có tính chất đông đặc, được tìm thấy trên sườn núi Paderno, gần Bologna. Kết quả không có được vàng, bạc hay các kim loại quý như ông kỳ vọng. Nhưng sau khi viên đá nguội đi, Casciarolo đã phát hiện ra một điều thú vị: nếu ông cho thứ vật liệu này tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời rồi đem vào phòng tối, nó sẽ phát sáng.
“Đá Bologna” là chất phát quang bền bỉ, được chế tác nhân tạo đầu tiên. Sau đó, nhiều vật liệu khác đã được phỏng theo. Đến ngày nay, dạng vật liệu phát quang này được sử dụng để trang trí, chiếu sáng khẩn cấp, đánh dấu vỉa hè, hay ứng dụng trong y tế.
Một ngày nào đó, ứng dụng của loại vật liệu này có thể mang đến cho chúng ta những thành phố tự phát sáng, mát mẻ và sử dụng ít điện năng hơn.
Một thế hệ vật liệu phát quang mới có đủ tiềm năng khiến cho các thành phố hạ nhiệt, bằng cách tái phát sáng mà không cần chuyển hóa thành nhiệt năng. Chúng cũng cắt giảm khai thác năng lượng, vì vỉa hè, vạch kẻ đường hoặc thậm chí các tòa nhà đã có thể phát sáng, thay thế phần nào đèn điện đường phố.
Hiện một số thành phố tại châu Âu đã lắp đặt làn đường phát sáng dành riêng cho xe đạp. Bên cạnh đó, một số nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng sơn phát sáng cho vạch kẻ đường.
Con đường dành cho xe đạp mang tên Van Gogh ở thành phố Eindhoven, Hà Lan được lấy cảm hứng từ tác phẩm nổi tiếng “Đêm đầy sao” (The Starry Night) của họa sĩ (ảnh: Daan Roosegaarde / studioroosegaarde.net)
Paul Berdahl, nhà vật lý môi trường hiện đã nghỉ hưu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Berkeley, California, cho biết: “Nó tốt hơn cho môi trường. Nếu công nghệ này được cải thiện, chúng ta có thể sử dụng năng lượng ít hơn. Đó là một việc đáng làm”.
Đá Bologna, một dạng của khoáng chất baryte, đã mê hoặc các nhà triết học tự nhiên vào thời điểm đó, nhưng chưa thể hiện được độ hữu ích của mình cho đến hiện tại. Trong những năm 1990, các nhà hóa học đã phát triển các loại vật liệu phát quang bền bỉ mới, chẳng hạn như stronti aluminat, duy trì ánh sáng mạnh trong nhiều giờ sau khi tiếp xúc với ánh sáng. Hầu hết các vật liệu mới này đều phát ra ánh sáng xanh lam hoặc xanh lục, một số ít phát ra ánh sáng màu vàng, đỏ hoặc cam.
Các vật liệu phát quang này 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 có thể phát quang bền bỉ thì sẽ lưu trữ năng lượng lâu hơn và phát ra chậm hơn.
Hơn 250 loại vật liệu phát quang đã được xác định. Nhóm a: Các vật liệu vi lượng đóng vai trò là trung tâm phát quang; nhóm b: Hợp chất chủ; và nhóm c: Màu sắc mà vật liệu phát ra
Những vật liệu phát sáng mạnh mẽ trong nhiều giờ mở ra khả năng ứng dụng mới, chẳng hạn như các thành phố “phát sáng trong bóng tối” nhờ vào các tòa nhà và vỉa hè phát quang. Vì 19% năng lượng sử dụng của toàn cầu là cho chiếu sáng, ở châu Âu khoảng 1.6% là chuyên biệt cho đèn đường phố, vì thế tiềm năng tiết kiệm năng lượng là tương đối lớn, kỹ sư xây dựng ghi Anna Laura Pisello và các đồng nghiệp cho biết trong Annual Review of Materials Research (Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu hàng năm).
Một vấn đề với phương pháp này là hầu hết các vật liệu phát quang sẽ không thể duy trì ánh sáng suốt đêm. Pisello, Đại học Perugia, người nghiên cứu vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng, cho biết vật liệu tốt hơn có thể giúp giải quyết vấn đề. Trong khi đó, các vật liệu hiện tại có thể kết hợp với hệ thống đèn điện để để sạc lại vạch kẻ đường trước khi tắt trở lại.
Sơn phát quang cũng có thể giải quyết vấn đề ánh sáng cho khu vực ngoài trời. Phòng thí nghiệm của Pisello đã phát triển một loại sơn phát sáng trong bóng tối, và trong một báo cáo năm 2019, họ đã mô phỏng điều này khi sơn một con đường công cộng gần nhà ga bằng nó. Các nhà khoa học nhận thấy thông qua việc phát quang suốt đêm, phát minh này sẽ giúp giảm khoảng 27% năng lượng cần thiết cho chiếu sáng khu vực xung quanh.
Tuy vậy, điều này có thể gây ra lo lắng về việc toàn bộ thành phố sẽ “chói mắt” suốt đêm và làm tăng thêm ô nhiễm ánh sáng. Thực tế, vật liệu phát quang có thể chỉ thay thế ánh sáng hiện có chứ không góp phần thêm vào đó. 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.
Vật liệu phát quang cũng có thể giúp chống lại cái được gọi là hiệu tượng “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 các vùng nông thôn xung quanh. Nhiệt độ cao là một mối nguy tiềm ẩn đối với sức khỏe và cũng dẫn đến việc phải 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” giúp phản chiếu ánh sáng, chẳng hạn sơn trắng và nhựa đường sáng màu. Điều đó chỉ ra rằng việc ứng dụng các vật liệu phát quang sẽ càng giúp ích nhiều hơn thế.
Anna Laura Pisello và các đồng nghiệp tại Đại học Perugia đang cố gắng tạo ra những mặt đường có thể phát quang trong bóng tối. Họ thử nghiệm các các chất phát quang khác nhau và thêm chúng vào vật liệu làm mặt đường để tìm ra hiệu suất và độ bền cao nhất. Trên đây là các mẫu vật liệu phát quang và một viên đá ốp lát đang được thực nghiệm (ảnh: Anna Laura Pisello)
Tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley, Berdahl và nhóm của mình đã thử nghiệm với ruby tổng hợp, một vật liệu có thể phát quang khi ở dưới ánh sáng Mặt trời, để tạo ra các lớp phủ màu luôn mát. Trong thí nghiệm bước đầu, họ ghi nhận rằng một bề mặt có sắc tố ruby dưới ánh Mặt trời sẽ mát hơn là một vật liệu có màu tương tự nhưng lại không chứa sắc tố đặc biệt.
Phòng thí nghiệm của Pisello đã tiến được thêm một bước nữa đó là thêm một số vật liệu phát quang bền bỉ, lưu trữ năng lượng ánh sáng và tỏa ra từ từ, vào bê tông. So với các bề mặt không phát quang nhưng cùng màu, thì bề mặt này làm giảm nhiệt độ không khí xung quanh vào những ngày nắng lên tới 3,3 độ C.
“Bạn có thể làm cho một bề mặt phản chiếu càng nhiều càng tốt. Nhưng liệu có thể vượt xa hơn thế không? Ý tưởng là có thể bạn có thể đi xa hơn một chút bằng cách lợi dụng sự phát quang dai dẳng để truyền năng lượng ra ngoài. Nó thật thú vị”, Patrick E. Phelan, một kỹ sư cơ khí tại Đại học Bang Arizona cho biết.
Có 250 vật liệu phát quang đã biết, nhiều vật liệu trong số đó chưa được nghiên cứu ứng dụng trong thực tế. Pisello cho biết tiềm năng để sơn phát sáng, mặt đường có tuổi thọ cao và phát sáng với nhiều màu sắc hơn là hoàn toàn có thể.
“Trong ngắn hạn, giải pháp tốt nhất và dễ dàng nhất là cải thiện những gì chúng ta đã có”, bà 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, đảm bảo chúng tiếp tục hoạt động trong môi trường thực tế.
Bà cho biết thêm, về lâu dài, các lớp vật liệu chế tạo mới có thể ứng dụng tốt hơn nữa. Ví dụ, người ta có thể chuyển sang công nghệ “chấm lượng tử” (Quantum Dot) - các hạt bán dẫn được chế tạo để phát sáng và đã được ứng dụng trong hình ảnh sinh học. Hoặc perovskite, vật liệu sử dụng trong cell pin mặt trời cũng đang được nghiên cứu về đặc tính phát quang.
Nguồn: Ars Technica
“Đá Bologna” là chất phát quang bền bỉ, được chế tác nhân tạo đầu tiên. Sau đó, nhiều vật liệu khác đã được phỏng theo. Đến ngày nay, dạng vật liệu phát quang này được sử dụng để trang trí, chiếu sáng khẩn cấp, đánh dấu vỉa hè, hay ứng dụng trong y tế.
Một ngày nào đó, ứng dụng của loại vật liệu này có thể mang đến cho chúng ta những thành phố tự phát sáng, mát mẻ và sử dụng ít điện năng hơn.
Một thế hệ vật liệu phát quang mới có đủ tiềm năng khiến cho các thành phố hạ nhiệt, bằng cách tái phát sáng mà không cần chuyển hóa thành nhiệt năng. Chúng cũng cắt giảm khai thác năng lượng, vì vỉa hè, vạch kẻ đường hoặc thậm chí các tòa nhà đã có thể phát sáng, thay thế phần nào đèn điện đường phố.
Hiện một số thành phố tại châu Âu đã lắp đặt làn đường phát sáng dành riêng cho xe đạp. Bên cạnh đó, một số nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng sơn phát sáng cho vạch kẻ đường.
Paul Berdahl, nhà vật lý môi trường hiện đã nghỉ hưu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Berkeley, California, cho biết: “Nó tốt hơn cho môi trường. Nếu công nghệ này được cải thiện, chúng ta có thể sử dụng năng lượng ít hơn. Đó là một việc đáng làm”.
Đá Bologna, một dạng của khoáng chất baryte, đã mê hoặc các nhà triết học tự nhiên vào thời điểm đó, nhưng chưa thể hiện được độ hữu ích của mình cho đến hiện tại. Trong những năm 1990, các nhà hóa học đã phát triển các loại vật liệu phát quang bền bỉ mới, chẳng hạn như stronti aluminat, duy trì ánh sáng mạnh trong nhiều giờ sau khi tiếp xúc với ánh sáng. Hầu hết các vật liệu mới này đều phát ra ánh sáng xanh lam hoặc xanh lục, một số ít phát ra ánh sáng màu vàng, đỏ hoặc cam.
Các vật liệu phát quang này 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 có thể phát quang bền bỉ thì sẽ lưu trữ năng lượng lâu hơn và phát ra chậm hơn.
Những vật liệu phát sáng mạnh mẽ trong nhiều giờ mở ra khả năng ứng dụng mới, chẳng hạn như các thành phố “phát sáng trong bóng tối” nhờ vào các tòa nhà và vỉa hè phát quang. Vì 19% năng lượng sử dụng của toàn cầu là cho chiếu sáng, ở châu Âu khoảng 1.6% là chuyên biệt cho đèn đường phố, vì thế tiềm năng tiết kiệm năng lượng là tương đối lớn, kỹ sư xây dựng ghi Anna Laura Pisello và các đồng nghiệp cho biết trong Annual Review of Materials Research (Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu hàng năm).
Một vấn đề với phương pháp này là hầu hết các vật liệu phát quang sẽ không thể duy trì ánh sáng suốt đêm. Pisello, Đại học Perugia, người nghiên cứu vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng, cho biết vật liệu tốt hơn có thể giúp giải quyết vấn đề. Trong khi đó, các vật liệu hiện tại có thể kết hợp với hệ thống đèn điện để để sạc lại vạch kẻ đường trước khi tắt trở lại.
Sơn phát quang cũng có thể giải quyết vấn đề ánh sáng cho khu vực ngoài trời. Phòng thí nghiệm của Pisello đã phát triển một loại sơn phát sáng trong bóng tối, và trong một báo cáo năm 2019, họ đã mô phỏng điều này khi sơn một con đường công cộng gần nhà ga bằng nó. Các nhà khoa học nhận thấy thông qua việc phát quang suốt đêm, phát minh này sẽ giúp giảm khoảng 27% năng lượng cần thiết cho chiếu sáng khu vực xung quanh.
Tuy vậy, điều này có thể gây ra lo lắng về việc toàn bộ thành phố sẽ “chói mắt” suốt đêm và làm tăng thêm ô nhiễm ánh sáng. Thực tế, vật liệu phát quang có thể chỉ thay thế ánh sáng hiện có chứ không góp phần thêm vào đó. 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.
Vật liệu phát quang cũng có thể giúp chống lại cái được gọi là hiệu tượng “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 các vùng nông thôn xung quanh. Nhiệt độ cao là một mối nguy tiềm ẩn đối với sức khỏe và cũng dẫn đến việc phải 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” giúp phản chiếu ánh sáng, chẳng hạn sơn trắng và nhựa đường sáng màu. Điều đó chỉ ra rằng việc ứng dụng các vật liệu phát quang sẽ càng giúp ích nhiều hơn thế.
Tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley, Berdahl và nhóm của mình đã thử nghiệm với ruby tổng hợp, một vật liệu có thể phát quang khi ở dưới ánh sáng Mặt trời, để tạo ra các lớp phủ màu luôn mát. Trong thí nghiệm bước đầu, họ ghi nhận rằng một bề mặt có sắc tố ruby dưới ánh Mặt trời sẽ mát hơn là một vật liệu có màu tương tự nhưng lại không chứa sắc tố đặc biệt.
Phòng thí nghiệm của Pisello đã tiến được thêm một bước nữa đó là thêm một số vật liệu phát quang bền bỉ, lưu trữ năng lượng ánh sáng và tỏa ra từ từ, vào bê tông. So với các bề mặt không phát quang nhưng cùng màu, thì bề mặt này làm giảm nhiệt độ không khí xung quanh vào những ngày nắng lên tới 3,3 độ C.
“Bạn có thể làm cho một bề mặt phản chiếu càng nhiều càng tốt. Nhưng liệu có thể vượt xa hơn thế không? Ý tưởng là có thể bạn có thể đi xa hơn một chút bằng cách lợi dụng sự phát quang dai dẳng để truyền năng lượng ra ngoài. Nó thật thú vị”, Patrick E. Phelan, một kỹ sư cơ khí tại Đại học Bang Arizona cho biết.
Có 250 vật liệu phát quang đã biết, nhiều vật liệu trong số đó chưa được nghiên cứu ứng dụng trong thực tế. Pisello cho biết tiềm năng để sơn phát sáng, mặt đường có tuổi thọ cao và phát sáng với nhiều màu sắc hơn là hoàn toàn có thể.
“Trong ngắn hạn, giải pháp tốt nhất và dễ dàng nhất là cải thiện những gì chúng ta đã có”, bà 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, đảm bảo chúng tiếp tục hoạt động trong môi trường thực tế.
Bà cho biết thêm, về lâu dài, các lớp vật liệu chế tạo mới có thể ứng dụng tốt hơn nữa. Ví dụ, người ta có thể chuyển sang công nghệ “chấm lượng tử” (Quantum Dot) - các hạt bán dẫn được chế tạo để phát sáng và đã được ứng dụng trong hình ảnh sinh học. Hoặc perovskite, vật liệu sử dụng trong cell pin mặt trời cũng đang được nghiên cứu về đặc tính phát quang.
Nguồn: Ars Technica
