Gel bảo vệ tòa nhà trong đám cháy

Trong những năm gần đây, chúng ta đang phải chứng kiến nhiều thảm họa diễn ra trên toàn thế giới do biến đổi khí hậu gây ra. Đơn cử, các vụ cháy rừng đang kéo dài hơn so với quá khứ, với những đám cháy lớn hơn, diễn ra thường xuyên hơn. Nhiều vụ cháy rừng thảm khốc đã phá hủy môi trường sống của cả con người, động vật lẫn thực vật, tàn phá nhiều ngôi nhà và cơ sở hạ tầng, gây thiệt hại lớn cho sinh kế của người sống ở khu vực chịu ảnh hưởng lẫn nền kinh tế nói chung. Đứng trước tình cảnh này, nhiều nhà khoa học đã và đang tìm tòi nhiều giải pháp mới nhằm ngăn chặn cháy rừng lẫn bảo vệ các khu vực dân cư khỏi nguy hiểm.

Cuối tháng tám vừa qua, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển một loại gel tăng cường độ ẩm có thể xịt lên nhà cửa và các cơ sở hạ tầng quan trọng nhằm bảo vệ chúng không bị đốt rụi trong những vụ cháy rừng. Nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Advanced Materials,cho thấy loại gel mới này có tác dụng lâu hơn và hiệu quả hơn nhiều so với những loại gel thương mại hiện đang lưu hành trên thị trường.

Các sản phẩm gel hiện có phụ thuộc vào lượng nước mà chúng chứa để dập tắt đám cháy. Tuy nhiên, dưới tác động của ngọn lửa có thể cháy ở nhiệt độ hàng trăm độ C, nước ở trong gel thường bốc hơi nhanh chóng.

“Dưới các điều kiện cháy rừng thông thường hiện nay, các loại gel tăng cường độ ẩm sẽ khô dần trong 45 phút”, theo Eric Applel, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật, Đại học Stanford. “Chúng tôi đã phát triển một loại gel sẽ có thời gian phát huy tác dụng dài hơn – bạn có thể xịt nó trước khi xảy ra hỏa hoạn và vẫn được bảo vệ – và nó sẽ có hiệu quả tốt hơn khi đám cháy lan tới”.

Bảo vệ lâu dài

Gel tăng cường độ ẩm được làm từ polymer siêu thấm – tương tự như bột thấm trong tã dùng một lần. Khi được trộn với nước và phun lên tòa nhà, chúng sẽ nở ra thành dạng keo bám chặt bên ngoài kết cấu, tạo thành tấm chắn dày và ẩm ướt. Thế nhưng, điều kiện trong khu vực phụ cận đám cháy rừng cực kỳ khô hanh – nhiệt độ có thể lên đến gần 100^oC, với gió mạnh và độ ẩm bằng không – thậm chí nước được giữ trong gel cũng bốc hơi khá nhanh.

Trong khi đó, ở loại gel do Appelcùng đồng nghiệp thiết kế, nước chỉ là lớp bảo vệ đầu tiên (giống như các loại gel hiện tại). Nhưng ngoài polymer gốc cellulose, loại gel mới này còn chứa các hạt silica. Ngay khi nước bốc hơi và polymer cháy sạch, những hạt này vẫn tồn tại và tạo thành một lớp aerogel silica cách nhiệt mạnh.

Trong điều kiện cháy rừng thông thường, gel sẽ khô trong vòng 45 phút. Chúng tôi đã tạo ra một loại gel có phạm vi ứng dụng rộng hơn, có thể phun gel trước khi cháy và gel phát huy hiệu quả hoạt động tốt hơn khi cháy xảy ra. Eric Appel

“Chúng tôi đã phát hiện ra một hiện tượng độc đáo là hydrogel mềm, dẻo chuyển đổi dễ dàng thành một lớp chắn aerogel mạnh mẽ dưới nhiệt độ cao, mang lại khả năng bảo vệ tòa nhà nâng cao và lâu dài trước trận cháy rừng. Bước đột phá thân thiện với môi trường này vượt trội hơi các giải pháp thương mại hiện nay, mang đến một lớp phòng thủ tối ưu và có thể mở rộng quy mô để đối phó với nạn cháy rừng”, tác giả chính của nghiên cứu, Changxin “Lyla” Dong cho biết.

“Khi nước bị nóng tới bốc hơi và toàn bộ cellulose cháy hết, chúng ta còn lại các hạt silica kết hợp lại thành lớp xốp (foam)”, Appel nói. “Lớp xốp đó có khả năng cách nhiệt cao và cuối cùng sẽ phân tán toàn bộ nhiệt, bảo vệ hoàn toàn lớp nền bên dưới”.

Các hạt silica sẽ tạo thành aerogel – một chất xốp, rắn và có khả năng cách nhiệt cực kỳ tốt. Các aerogel silica tương tự được sử dụng trong ngành công nghiệp vũ trụ vì chúng cực kỳ nhẹ và có thể ngăn chặn hầu hết phương thức truyền nhiệt.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một số hỗn hợp của loại gel mới này bằng cách bôi chúng lên các miếng gỗ và dùng đèn khò gas đốt chúng, nhiệt độ từ ngọn lửa của đèn khò cao hơn đáng kể so với cháy rừng. Hỗn hợp hiệu quả nhất của họ kéo dài hơn 7 phút trước khi tấm gỗ bắt đầu cháy thành than. Khi họ thử nghiệm một loại gel tăng cường độ ẩm lưu hành trên thị trường, sản phẩm này chỉ bảo vệ tấm gỗ trong chưa đầy 90 giây.

“Các loại gel truyền thống không có tác dụng khi chúng khô đi”, Appel cho biết. “Các vật liệu của chúng tôi tạo thành aerogel silica khi tiếp xúc với ngọn lửa và sẽ tiếp tục bảo vệ bề mặt được bôi gel sau khi nước đã bốc hơi hết. Sau khi đám cháy được dập tắt, người dùng có thể dễ dàng rửa trôi lớp aerogel silica này”.

Một khám phá tình cờ

Loại gel mới này được hình thành dựa trên công trình nghiên cứu chống cháy rừng trước đó. Vào năm 2019, Appel và đồng nghiệp đã sử dụng loại gel này làm phương tiện để giữ chất chống cháy rừng trên thảm thực vật trong nhiều tháng liền. Hỗn hợp này nhằm mục đích ngăn ngừa lửa bùng lên ở những khu vực dễ xảy ra cháy rừng.

Nhóm nghiên cứu đã làm việc với nền tảng này trong nhiều năm nay. Họ tự hỏi loại gel này sẽ phản ứng thế nào khi tiếp xúc trực tiếp với lửa. Từ đây, họ bôi gel lên một tấm gỗ và đưa nó lại gần ngọn lửa từ đèn khò. Kết quả mà họ quan sát được là gel nở phồng lên thành lớp xốp aerogel.

Sau thử nghiệm thành công ban đầu, họ tiếp tục tiến hành nghiên cứu kỹ thuật trong nhiều năm để tối ưu hóa hỗn hợp. Giờ đây, hỗn hợp không biến chất khi lưu trữ, dễ dàng phun bằng thiết bị tiêu chuẩn và bám dính tốt với mọi loại bề mặt. Loại gel này được làm từ các thành phần không độc hại, đã được Cơ quan Lâm nghiệp Mỹ cho phép sử dụng. Các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu để chứng minh rằng chúng có thể dễ dàng phân hủy bởi vi khuẩn có trong đất, nhằm đảm bảo quá trình bảo vệ nhà cửa khỏi cháy rừng không phải trả giá bằng môi trường.

“Loại gel này an toàn cho cả con người lẫn môi trường”, Appel khẳng định. “Chúng tôi sẽ cần tối ưu thêm loại gel này, nhưng tôi hy vọng rằng chúng tôi có thể tiến hành ứng dụng và đánh giá loại gel này theo quy mô thử nghiệm, để chúng ta có thể sử dụng chúng nhằm bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng khi hỏa hoạn xảy ra”.

Nguồn: Đại học Stanford