Các nhà khoa học đã phát triển một loại vật liệu thông minh có thể “lập trình” cách hấp thụ và phát xạ nhiệt, mở ra triển vọng điều khiển dòng nhiệt với độ chính xác tương tự cách chip máy tính điều khiển dòng điện. Công nghệ này có thể tạo nền tảng cho các hệ thống quản lý nhiệt, thiết bị năng lượng và bộ nhớ quang tử thế hệ mới.
Nghiên cứu do nhóm các nhà khoa học quốc tế dẫn đầu bởi Giáo sư Koichi Okamoto và Tiến sĩ Shunsuke Murai thuộc Trường Cao học Kỹ thuật, Đại học Đô thị Osaka (Nhật Bản) thực hiện.
Thông thường, quá trình hấp thụ và phát xạ nhiệt tuân theo nguyên lý “đối ứng” (reciprocity): vật liệu hấp thụ nhiệt tốt theo hướng nào thì cũng phát xạ nhiệt theo chính hướng đó. Quy luật này từ lâu đã hạn chế khả năng điều khiển dòng nhiệt theo ý muốn.
Để vượt qua giới hạn này, nhóm nghiên cứu kết hợp vật liệu quang từ (magneto-optical material), có khả năng thay đổi cách tương tác với ánh sáng dưới tác động của từ trường, với vật liệu chuyển pha GST. Cấu trúc mới có thể điều khiển hướng phát xạ nhiệt, đồng thời bật hoặc tắt chức năng này theo yêu cầu.
Một ưu điểm nổi bật là vật liệu vẫn duy trì trạng thái đã được “lập trình” ngay cả khi ngắt nguồn điện, tương tự cách chip nhớ lưu giữ dữ liệu.
“Chúng tôi đã khiến bức xạ nhiệt hoạt động theo cách ‘thông minh’ hơn”, Tiến sĩ Murai cho biết. “Nếu được phát triển thành thiết bị thực tế, công nghệ này có thể mở đường cho thế hệ mới của các nguồn phát hồng ngoại hiệu suất cao, hệ thống chuyển đổi năng lượng nhiệt, cảm biến và bộ nhớ quang tử.”
Các thử nghiệm cho thấy thiết bị phản ứng khác nhau tùy theo hướng ánh sáng chiếu tới, ngay cả khi ánh sáng gần vuông góc với bề mặt. Đây là bước tiến đáng kể so với các thiết kế trước đây, vốn chỉ hoạt động hiệu quả khi ánh sáng chiếu ở góc rất lớn, làm giảm hiệu suất hấp thụ và phát xạ nhiệt.
Nhóm nghiên cứu cũng khắc phục được hạn chế của các thiết kế trước, vốn thường mất trạng thái đã thiết lập ngay khi ngắt điện. Thiết bị mới cho phép chuyển đổi ổn định hơn và vẫn giữ nguyên trạng thái mà không cần cấp điện liên tục.
Theo các nhà nghiên cứu, mục tiêu lâu dài là phát triển các thiết bị có thể điều khiển dòng nhiệt với độ chính xác tương tự các mạch điện tử điều khiển dòng điện.
“Nếu thành công, công nghệ này có thể được ứng dụng trong các cảm biến hồng ngoại thông minh hơn, hệ thống năng lượng hiệu quả hơn và các loại bộ nhớ quang tử mới sử dụng ánh sáng và nhiệt để lưu trữ thông tin thay cho điện tích,” Giáo sư Okamoto cho biết.
Mô phỏng nguyên lý hoạt động của vật liệu mới: nhiệt được hấp thụ từ phía bên phải, sau đó được phát xạ sang bên trái, cho phép điều khiển hướng truyền nhiệt theo lập trình. Ảnh: Đại học Đô thị Osaka
