Tên gọi vật liệu thay đổi pha (PCM) là do loại vật liệu này có khả năng chuyển đổi giữa các giai đoạn của vật chất khi nhiệt độ thay đổi, tức ở nhiêt độ cao chúng sẽ tan chảy thành chất lỏng khi nó hấp thụ nhiệt và làm mát môi trường xung quanh. Ngược lại, khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu này sẽ đông đặc trở lại và giải phóng nhiệt tích trữ của nó để làm ấm môi trường.

Trước đây, PCM được sử dụng trong tách cà phê để giữ nhiệt đồ uống nóng, các loại vải giữ ấm hoặc làm mát cho người mặc khi cần thiết, lớp phủ chất lỏng ngăn ngừa sự tích tụ sương và trong các vật liệu xây dựng giúp điều chỉnh nhiệt độ trong nhà tốt hơn.

Tuy nhiên, loại PCM này tốn kém nhưng không mang lại hiệu quả cao vì chúng cần một lớp vỏ để chứa ở dạng lỏng, nghĩa là các viên PCM cần được nhúng vào vật liệu xây dựng, nhưng ít trong số chúng có thể tương thích với vật liệu xây dựng đó và có quy trình sản xuất phức tạp.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas A&M đã tạo ra vật liệu PCM mới có thể in 3D thông qua một quy trình sản xuất đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí. Hơn nữa, loại vật liệu này có thể được thêm vào vật liệu xây dựng như sơn, làm điểm nhấn trang trí cho các môi trường khác nhau trong nhà.

Mô hình ngôi nhà quy mô nhỏ được in 3D sử dụng vật liệu tổng hợp thay đổi pha.

Tiến sĩ Emily Pentzer, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật và Khoa học vật liệu cho biết: “Tích hợp vật liệu PCM vào vật liệu xây dựng tạo ra cơ hội điều chỉnh nhiệt độ thụ động trong cả công trình xây dựng mới và hiện hữu”.

Pentzer và nhóm nghiên cứu của cô ấy lần đầu tiên kết hợp nhựa lỏng (nhạy cảm với ánh sáng) và bột sáp parafin (có khả năng thay đổi pha) để tạo ra hỗn hợp mực in 3D mới, nâng cao quy trình sản xuất vật liệu xây dựng có chứa PCM và loại bỏ một số bước, bao gồm cả việc đóng gói.

Hỗn hợp nhựa PCM này giống như hồ dán và dễ uốn, rất lý tưởng cho việc in 3D nhưng không thích hợp cho các cấu trúc xây dựng. Do đó, các nhà nghiên cứu đã xử lý nhựa nhạy cảm với ánh sáng bằng tia cực tím để làm rắn chắc lớp dán có thể in 3D, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong thế giới thực.

Ngoài ra, họ phát hiện ra rằng bột sáp parafin được nhúng trong nhựa không bị ảnh hưởng bởi tia cực tím và tạo nên 70% cấu trúc in 3D. Đây là một tỷ lệ cao hơn khi so sánh với hầu hết các vật liệu hiện có đang được sử dụng trong công nghiệp.

Tiếp theo, họ thử nghiệm khả năng điều nhiệt của vật liệu PCM bằng cách in 3D một mô hình ngôi nhà quy mô nhỏ và đo nhiệt độ bên trong ngôi nhà khi nó được đặt trong lò nướng. Phân tích của họ cho thấy nhiệt độ của mô hình chênh lệch 40% so với nhiệt độ bên ngoài đối với cả chu trình nhiệt sưởi ấm và làm mát khi so sánh với các mô hình làm từ vật liệu truyền thống.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ thử nghiệm các vật liệu PCM khác nhau ngoài sử dụng bột sáp parafin để có thể hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rộng hơn và quản lý nhiều năng lượng nhiệt hơn trong một chu kỳ nhất định.