Vật liệu cứng có thể kéo giãn: Cuộc cách mạng siêu vật liệu của MIT

theanh

Administrator
Nhân viên
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một kỹ thuật sản xuất mới cho phép các vật liệu thông thường giòn và cứng có thể kéo giãn và uốn cong trong khi vẫn duy trì được độ bền cơ học. Một cải tiến đáng chú ý có thể dẫn đến sự ra đời của nhiều loại vật liệu có khả năng mang tính cách mạng.

Nhân loại thường xuyên dựa vào những vật liệu cực kỳ bền chắc, chẳng hạn như kim loại và gốm sứ. Đôi khi, chúng có khả năng chịu được áp lực cơ học rất lớn, khiến chúng trở nên rất hữu ích trong nhiều ngành công nghiệp. Nhưng chúng có xu hướng cực kỳ cứng và không nhất thiết phải hấp thụ biến dạng tốt mà không bị gãy, giống như cao su – và ngược lại.

Sự phân đôi này tồn tại vì hai tính chất này thường được coi là không tương thích. Thông thường, để tạo ra một vật liệu cực kỳ bền chắc, cần phải nhượng bộ rất nhiều về tính dễ uốn của nó, và ngược lại. Vượt qua trở ngại này là một trong những thách thức lớn nhất mà khoa học vật liệu phải đối mặt… và các nhà nghiên cứu MIT vừa thực hiện một bước theo hướng đó với một nghiên cứu hấp dẫn, được công bố trên tạp chí uy tín Nature Materials.

Vấn đề về cấu trúc và quy mô​

Các tính chất của vật liệu thường bắt nguồn từ thành phần hóa học của nó; sự tương tác giữa các nguyên tử khác nhau tạo nên nó quyết định trực tiếp phản ứng của nó với các loại ràng buộc khác nhau. Ví dụ, kim loại cứng vì các nguyên tử của nó được sắp xếp thành mạng tinh thể dày đặc, có trật tự. Mạng lưới này có khả năng chống biến dạng tốt nhưng dễ bị đứt khi bị đẩy vượt quá giới hạn. Ngược lại, vật liệu như cao su được tạo thành từ các chuỗi polyme liên kết lỏng lẻo với nhau. Do đó, các chuỗi này có thể tháo xoắn và sắp xếp lại dưới áp lực, khiến vật liệu có thể kéo giãn và linh hoạt – nhưng khả năng chống chịu kém hơn nhiều về mặt tuyệt đối.

Nhưng việc thay đổi cấu trúc nguyên tử, được xác định bởi thành phần hóa học này, không phải là cách duy nhất để tác động đến các đặc tính của vật liệu. Chúng ta cũng có thể chơi với kiến trúc của nó ở quy mô lớn hơn: khi đó chúng ta sẽ đến với lĩnh vực mà chúng ta gọi là siêu vật liệu.

Lấy ví dụ về hai vật thể được làm từ cùng một vật liệu nhưng được sắp xếp khác nhau – ví dụ, một tấm bìa cứng phẳng và một tấm bìa cứng gợn sóng khác. Loại thứ nhất mềm dẻo và dễ uốn cong; Mặt khác, loại thứ hai, nhờ các sóng hình thành từ địa hình của nó, có độ cứng cao hơn và có thể chịu được những hạn chế lớn hơn nhiều. Trong trường hợp này, chúng ta có thể coi bìa các tông sóng như một siêu vật liệu. Thành phần hóa học giống hệt nhau, do đó các nguyên tử được sắp xếp theo cùng một cách ở thang vi mô. Nhưng ở quy mô lớn hơn, kiến trúc bổ sung này mang lại cho nó những tính chất mới.

Một loại vải dệt lai có những tính chất đáng gờm​

Trong nghiên cứu mới nhất của mình, các nhà nghiên cứu MIT đã đưa khái niệm này tiến xa hơn nữa bằng cách giải quyết vấn đề từ góc độ khác. Thay vì cố gắng tạo ra một siêu vật liệu bền chắc từ một chất nền linh hoạt, họ đã cố gắng thiết kế một sản phẩm linh hoạt từ các thành phần cứng và giòn.

Để đạt được điều này, họ đã lấy cảm hứng từ hydrogel – vật liệu trở nên linh hoạt và đàn hồi nhờ các chuỗi polyme bị mắc kẹt trong chất nền gốc nước. Sử dụng ví dụ này, họ đã phát triển một kỹ thuật xây dựng mới gần giống như kỹ thuật đan lát.

Cách tiếp cận của họ bao gồm đan xen hai loại sợi, một số loại chắc nhưng cứng và giòn, một số loại khác thì mềm dẻo nhưng dễ vỡ hơn, trong một mạng lưới thống nhất. Không thể tránh khỏi, những phần cứng nhất cuối cùng cũng sẽ bị gãy do sức căng – nhưng các tác giả đã tìm ra cách khai thác hạn chế này để có lợi cho mình. Họ đã đưa ra "khuyết tật" về mặt cấu trúc tại các vị trí chiến lược để tối ưu hóa sự phân bố ứng suất cơ học trong siêu vật liệu, có tác dụng làm tăng cường độ tổng thể của nó.

metamateriau-mit-volume.jpg


«Hãy tưởng tượng mạng lưới này được đan xen như một khối mì spaghetti quấn quanh một giàn lưới. Carlos Portela, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Khi chúng ta phá vỡ mạng lưới nguyên khối, những mảnh vỡ này sẽ bị rối vào nhau và tất cả những sợi mì này sẽ bám vào các mảnh của mạng lưới". "Bạn có thể nghĩ rằng điều này sẽ làm hỏng vật liệu", đồng tác giả James Utama Surjadi cho biết. “Nhưng chúng tôi thấy rằng bằng cách thêm các khuyết tật, chúng tôi có thể tăng gấp đôi hoặc thậm chí gấp ba năng lượng bị tiêu tán. Điều này mang lại cho chúng tôi một vật liệu vừa cứng vừa bền, thường là trái ngược nhau."

Sau đó, họ đã thử nghiệm phương pháp này với một mạng lưới làm bằng polyme tương tự như Plexiglas. Và kết quả thật ngoạn mục. Trong khi polyme đang nói đến thường rất cứng và giòn, thì siêu vật liệu có thể kéo dài để đạt gấp bốn lần kích thước ban đầu, trong khi vẫn duy trì độ bền cơ học rất cao ở trục còn lại!

metamateriau-mit.jpg

Một tiềm năng khiến bạn phải suy nghĩ​

Bản thân bằng chứng về khái niệm này đã rất ấn tượng – nhưng nó trở nên thú vị hơn nữa khi bạn bắt đầu suy rộng. Các nhà nghiên cứu tin rằng chỉ cần bỏ ra một chút công sức, chúng ta có thể sao chép phương pháp này với các vật liệu cứng hơn để thu được siêu vật liệu có những đặc tính đặc biệt. Portela cho biết: "Chúng tôi có thể in kim loại hoặc gốm sứ mạng kép và hưởng lợi từ nhiều ưu điểm: quá trình đứt gãy của chúng sẽ cần nhiều năng lượng hơn và khả năng co giãn của chúng sẽ lớn hơn đáng kể".

Điều tuyệt vời nhất là tiềm năng của phương pháp này không chỉ giới hạn ở các tính chất cơ học. Về mặt lý thuyết, thậm chí có thể mang lại những tính chất mới cho vật liệu, vượt xa sự phân đôi đơn giản giữa độ cứng và độ mềm dẻo.

"Cho đến nay, chúng ta đã nói về các tính chất cơ học, nhưng nếu chúng ta cũng có thể làm cho chúng dẫn điện, tức là nhạy cảm với nhiệt độ thì sao?", Portela đặt câu hỏi. "Hai mạng lưới này có thể được tạo thành từ các loại polyme khác nhau, phản ứng khác nhau với nhiệt độ, do đó mô có thể mở lỗ chân lông hoặc trở nên linh hoạt hơn khi nóng và cứng hơn khi lạnh. "Đây là một hướng mà chúng ta có thể khám phá ngay bây giờ", ông vui vẻ nói. "Chúng tôi đang mở ra một lãnh thổ mới cho siêu vật liệu".

Do đó, sẽ rất hấp dẫn khi theo dõi kết quả của công trình này. Khi khái niệm này hoàn thiện, rất có thể nó sẽ dẫn đến sự xuất hiện của các họ siêu vật liệu mới có khả năng giải quyết các vấn đề hiện không thể giải quyết được trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ dệt may đến kỹ thuật sinh học, bao gồm chất bán dẫn và điện tử tiên tiến. Thật là một chương trình tuyệt vời!

Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
 
Back
Bên trên