Giảm ô nhiễm môi trường bằng vật liệu tự phát sáng

Ngày nay, hơn 70% điện năng dùng trong mọi lĩnh vực đều có nguồn gốc từ dầu mỏ, than đá và điều này là tác nhân chính gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên gần đây, các khoa học gia đã phát minh ra những loại vật liệu tự phát sáng. Nếu được áp dụng rộng rãi, nó sẽ góp phần làm giảm sự nóng lên toàn cầu.

Một xa lộ ở Naples, Italia sử dụng vật liệu tự phát sáng để phân chia làn đường.

Năm 1603, Vincenzo Casciarolo, thợ đóng giày người Italia đã thử nấu chảy một loại đá tìm thấy trên sườn núi Paderno, gần Bologna mà ông cho rằng trong đó có vàng. Mặc dù vàng không tìm thấy nhưng khi viên đá nguội đi, Casciarolo phát hiện một điều thú vị: Viên đá mà ông đã nung rồi để cả ngày dưới ánh nắng mặt trời thì đến tối, lúc ông mang nó vào nhà, nó phát ra ánh sáng màu xanh lục, đủ để thấy rõ một phần căn phòng. Gần sáng, nó mờ dần di nhưng khi Casciarolo đem nó ra phơi nắng thì đến tối, nó lại tiếp tục phát sáng.

Từ đó, nó được gọi là “đá Bologna” nhưng phát hiện của Casciarolo nhanh chóng bị lãng quên bởi lẽ nếu muốn nó sáng, người ta phải mất khá nhiều thời gian để nung chảy nó. Tiếp theo, khi nó đã nguội rồi đông đặc, lại phải đem nó ra phơi nắng nhưng thời gian phát sáng của nó cũng không kéo dài, chỉ được khoảng 3 giờ đồng hồ.

Mãi những năm gần đây, “đá Bologna” mới gợi ý cho các nhà khoa học về loại vật liệu tự phát sáng trong bối cảnh con người phải tiêu tốn khá nhiều điện năng cho những vật dụng như bảng chỉ đường, giải phân cách trên các xa lộ cao tốc, bảng quảng cáo, hệ thống đèn chỉ dẫn đường băng sân bay, bến cảng, ga xe lửa và các lối đi dành cho khách bộ hành ở những giao lộ… Trước đó, họ cũng đã nghĩ đến việc dùng chất Phosphor (lân tinh) nhưng nó cực độc với cơ thể người nên hiện tại, nó chỉ sử dụng giới hạn trong một số mặt đồng hồ. Paul Berdahl, nhà vật lý môi trường thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Berkeley, bang California, Mỹ, nói: “Chúng ta có thể tiết kiệm được hàng tỉ Kw/giờ nếu áp dụng công nghệ vật liệu tự phát sáng vào đời sống. Điều đó có nghĩa là sự phụ thuộc vào dầu mỏ, than đá cũng giảm đi…”.

Về cấu trúc, “đá Bologna” là một dạng của loại khoáng chất Baryte. Dựa trên nền tảng này, các nhà khoa học đã tìm ra loại vật liệu tự phát sáng mà không cần phải nung chảy. Đó là khoáng chất Stronti Aluminat. Nếu đem nghiền nó thành bột rồi cho nó tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong nhiều giờ thì khi đưa vào bóng tối, nó sẽ tự phát ra ánh sáng màu xanh lam hoặc xanh lục, hoặc cũng có thể là màu vàng, đỏ, cam…, tùy theo hàm lượng Aluminat chứa trong nó. Ông Paul Berdahl giải thích: “Stronti Aluminat hoạt động bằng cách “bẫy” năng lượng của một photon trong ánh sáng mặt trời rồi phóng thích năng lượng đó dưới dạng ánh sáng có bước sóng thấp hơn”.

Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là Stronti Aluminat không thể phát sáng suốt đêm dù có phơi nắng cả ngày bởi lẽ các phân tử Stronti Aluminat lúc đã bão hòa proton thì nó sẽ không hấp thu nữa. Điều đó giống như sạc bình ắc quy. Khi điện năng trong ắc quy đã đầy thì dù có sạc thêm, nó cũng không thể kéo dài thêm thời gian sử dụng.

Theo giáo sư Pisello thuộc Đại học Perugia, Italia, người đứng đầu công trình nghiên cứa vật liệu tự phát sáng thì năm 2019, ông và các cộng sự đã tìm ra một loại vật liêu có thể tự phát sáng đến 9 tiếng đồng hồ. Nó cũng hoạt động theo nguyên tắc bẫy proton trong ánh sáng mặt trời nhưng thời gian phóng thích ánh sáng kéo dài hơn. Những thử nghiệm của nhóm Pisello trên nhiều con đường ở thành phố Naples, Italia cho thấy vạch phân chia làn đường sau khi được sơn bằng loại vật liệu này, nó sẽ tự phát sáng sau khi mặt trời lặn và mờ dần lúc bình minh. Ông nói: “Vật liệu tự phát sáng có thể giúp chống lại hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Theo đó các tòa nhà và vỉa hè ban ngày hấp thụ năng lượng mặt trời rồi khi đêm xuống, nó tỏa ra dưới dạng nhiệt, đã khiến nhiệt độ mùa hè ở thành phố cao hơn trung bình 2,70C so với các vùng nông thôn xung quanh. Hệ quả là ở các thành phố, người ta phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn cho hệ thống điều hòa không khí để làm mát”.

Nhằm ngăn chặn hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, nhóm nghiên cứu của giáo sư Pisello đã cho phủ lớp vật liệu tự phát sáng lên nóc của một số tòa nhà. Kết quả là do sự hấp thu các hạt proton trong ánh nắng, nhiệt độ trong nhà giảm bớt 3,30C còn về đêm, nó tỏa ra ánh sáng màu xanh lục huyền ảo. Giáo sư Pisello nói: “Trong tương lai gần, tôi hy vọng các bảng quảng cáo sử dụng điện ở Italia sẽ được thay thế bằng lớp vật liệu tự phát sáng. Tương tự như vậy, bảng chỉ đường ở các giao lộ,  bảng hướng dẫn lộ trình di chuyển ở các bến xe, nhà ga tàu hỏa và ngay cả lối vào nhà bạn, cũng sẽ sử dụng vật liệu này…”.

Theo Tạp chí Khoa học và Đời sống, có 250 loại vật liệu tự phát sáng đã được nghiên cứu và vài loại cũng đã được đưa vào sử dụng, trong đó có vật liệu gọi là Ruby do Patrick E. Phelan, kỹ sư cơ khí tại Đại học Arizona, Mỹ, tìm ra. Nó hoạt động theo nguyên tắc các hạt bán dẫn cực nhỏ - gọi là chấm lượng tử - trong chất Ruby sẽ hấp thu hạt proton của ánh sáng mặt trời rồi tự sáng trong bóng tối. Kỹ sư Patrick E. Phelan nói: “Thật ra khi đã hấp thu đủ proton thì lúc nào nó cũng sáng nhưng vì ánh sáng ban ngày mạnh hơn nó gấp hàng ngàn lần nên ta không nhận thấy. Nhưng nếu ta tập hợp những hạt bán dẫn ấy thành một tấm lớn, nó sẽ sáng như những bảng quảng cáo bình thường mà ta vẫn nhìn thấy trong các siêu thị”.

Hiện tại, một số những xa lộ cao tốc ở Italia, Na Uy, Đan Mạch… đã sử dụng vật liệu tự phát sáng để hướng dẫn tài xế không đi chệch làn đường vào ban đêm. Nó hoàn toàn không bị hư hỏng khi bánh xe cán qua nó. Ông Torcelli, cư dân ở thành phố Naples nói: “Thật thú vị khi thấy tấm bảng trắng với dấu chữ thập đỏ của một bệnh viện gần nhà tôi. Cứ mỗi hoàng hôn, tôi lại đứng ngoài ban công trên lầu nhìn xuống. Thoạt đầu, nó chỉ mờ mờ nhưng rồi càng lúc nó càng sáng rực lên…”.

Giáo sư Pisello nói: “Trong ngắn hạn, giải pháp tốt nhất là hoàn chỉnh các vật liệu để chúng phát ra ánh sáng lâu hơn, mạnh hơn đồng thời bảo đảm chúng hoạt động tốt trong môi trường thực tế. Còn nếu đi xa hơn, chúng ta có thể sử dụng sự phát sáng dai dẳng như một cách để truyền năng lượng ra các vật chất khác, chẳng hạn như pin mặt trời…”.

VŨ CAO (Theo Sience and Life)