Phát minh vật liệu mới làm rung chuyển ngành xây dựng: Tạo ra xi măng từ đất, làm mát các tòa nhà lên đến 20°C không cần điều hòa

Các nhà khoa học tại Đại học Pennsylvania phát triển lớp phủ xi măng lấy cảm hứng từ cấu trúc da voi, có khả năng hấp thụ nước trong chưa đầy 50 mili giây. Trong thử nghiệm mô hình, vật liệu giúp nhiệt độ bên dưới thấp hơn tới 20°C so với bề mặt vữa xi măng thông thường không có vết nứt.

Theo nghiên cứu công bố năm 2026 trên tạp chí Advanced Materials, vật liệu mới kết hợp xi măng Portland với đất tảo cát, tạo thành cấu trúc xốp có khả năng giữ và phân phối nước. Khi nước bay hơi, quá trình này hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, giúp làm mát thụ động mà không cần máy nén hoặc hệ thống điều hòa không khí thông thường.

Ý tưởng phát triển vật liệu xuất phát từ đặc điểm của da voi. Bề mặt da voi có nhiều rãnh, nếp gấp và vết nứt nhỏ, giúp giữ nước và bùn sau khi tiếp xúc với chất lỏng. Nhờ đó, nước không nhanh chóng chảy đi mà được lưu giữ lâu hơn, kéo dài quá trình bay hơi và hỗ trợ điều hòa thân nhiệt.

Nhóm nghiên cứu áp dụng nguyên lý này vào vật liệu xây dựng bằng cách chủ động kiểm soát vị trí và hình dạng của các vết nứt. Thay vì coi vết nứt hoàn toàn là khuyết điểm cần loại bỏ, các nhà khoa học thiết kế chúng thành mạng lưới kênh dẫn, giúp nước lan rộng trên bề mặt thay vì chảy tràn ra ngoài.

Đất tảo cát đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc vật liệu. Loại vật liệu này chứa nhiều lỗ rỗng siêu nhỏ, giúp hút nước nhờ hiện tượng mao dẫn. Trong công thức thử nghiệm, đất tảo cát chiếm khoảng 50% hỗn hợp rắn, làm tăng độ xốp so với xi măng thông thường.

Các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều kiểu mạng lưới vết nứt khác nhau, gồm hình tam giác, hình vuông và hình lục giác. Kết quả tốt nhất được ghi nhận ở mạng lưới hình lục giác có mật độ trung bình, giúp nước phân tán tương đối đồng đều nhưng hạn chế thất thoát qua các cạnh.

Để đánh giá hiệu quả, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình gồm ba loại tấm vật liệu: hỗn hợp xi măng và đất tảo cát có 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 đặt dưới nguồn nhiệt hồng ngoại và nhận lượng nước như nhau theo những chu kỳ xác định. Sau các chu kỳ gia nhiệt và làm ướt, nhiệt độ đo được bên dưới tấm 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 không có vết nứt đạt khoảng 52°C.

Như vậy, chênh lệch nhiệt độ giữa vật liệu mới và mẫu vữa không có vết nứt lên tới khoảng 20°C trong điều kiện thí nghiệm. Ở một số thử nghiệm khác, cấu trúc hình lục giác còn giúp duy trì nhiệt độ bề mặt thấp hơn môi trường xung quanh trong tối đa 20 giờ, với cùng lượng nước ban đầu.

Tuy nhiên, kết quả này không đồng nghĩa việc sử dụng lớp phủ sẽ tự động làm giảm nhiệt độ trong nhà 20°C. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào khí hậu, độ ẩm, lượng nước cung cấp, khả năng cách nhiệt, thông gió và đặc điểm kết cấu công trình.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp phun hỗn hợp lên các tấm lưới kích thước khoảng 51 x 64 cm, cho thấy quy trình có thể được triển khai trên bề mặt lớn hơn các mẫu ban đầu.

Dù vậy, công nghệ vẫn cần được kiểm chứng trước khi thương mại hóa. Các vấn đề cần nghiên cứu thêm gồm độ bền khi tiếp xúc lâu dài với nắng, mưa, bụi bẩn và tia cực tím; khả năng chịu lực, độ bám dính, bảo trì và nguy cơ tích tụ khoáng chất trong các lỗ rỗng.