Vật liệu siêu nhẹ, siêu bền nhờ cấu trúc hệ thống phân cấp

Thủ thuật ăn mòn bạc để tạo ra vật liệu bền vững

Một nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm nghiên cứu Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) và Đại học Công nghệ Hamburg (TUHH), Đức hiện đang phát triển phương pháp thiết kế vật liệu mới tiên tiến cho các vật liệu siêu nhẹ trong tương lai: Những thanh chống chịu lực kim loại có kích thước nano, hình thành mạng lưới lồng nhau trên các cấp độ phân cấp riêng biệt mang lại sự bền vững đáng kinh ngạc của vật liệu. 

Khi tháp Eiffel được khánh thành vào năm 1889, đây là một kỳ quan kỹ thuật. Sự sắp xếp một cách nghệ thuật và tinh tế của những dầm sắt lớn và nhỏ đã tạo ra sự ổn định phi thường, khiến tháp trở thành công trình xây dựng cao nhất thế giới vào thời điểm đó với độ chính xác không thể tưởng tượng được của thiết kế. 

"Phân cấp" là thuật ngữ mà các chuyên gia gọi là phương pháp tiếp cận kỹ thuật của một cấu trúc liên kết mở, gồm các chùm thanh dầm lớn hơn được liên kết giằng bằng những chùm dầm nhỏ hơn. 

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học vật liệu cố gắng chuyển phương pháp tiếp cận hiệu quả này sang cấu trúc vi mô bên trong của vật liệu, sử dụng phương pháp in 3D để tái tạo cấu trúc giàn kỹ thuật trên quy mô micromet.

Nhưng phương pháp in 3D không có hy vọng tạo ra một thế hệ vật liệu xây dựng siêu nhẹ siêu bền bền mới vì theo GS Jörg Weißmüller thuộc Viện Cơ học Vật liệu tại HZG, một máy in 3D chỉ có thể in tối đa khoảng mười nghìn chùm tia sợi nano. Đối với các ứng dụng thực tế, đây là một lựa chọn bất khả thi.

Theo các nhà khoa học vật liệu, nếu các chùm tia sợi chịu lực có thể được tăng cường bằng cách giảm đường kính xuống còn vài nanomet, điều đó có thể tạo cơ sở cho một loại vật liệu mới - đặc biệt nhẹ và đồng thời siêu bền vững. 

Nhưng loại vật liệu này sẽ phải chứa hàng nghìn tỷ chùm tia sợi nano, vượt xa khả năng của máy in 3D tinh vi nhất.

Ban đầu, nhóm nghiên cứu sử dụng hợp kim gồm 93% bạc và 7% vàng. Hợp kim này được nhúng vào axit sunfuric loãng, hòa tan khoảng một nửa bạc. Kết quả là, phần vật chất còn lại tự sắp xếp lại, tạo thành một mạng lưới chùm tia vật liệu nano mỏng manh. Sau đó, vật liệu được xử lý gia nhiệt vài trăm độ. Tác động nhiệt làm thô mạng lưới thành kích thước chùm tia có đường kính 150 nanomet và vẫn giữ nguyên cấu ​​trúc ban đầu.

Thí nghiệm sự tự tổ chức của vật liệu: (A) Sơ đồ minh họa lộ trình, hợp kim chính được ngâm trong axit sunfuric loãng (i), hòa tan khoảng một nửa bạc. Vật liệu được xử lý nhiệt để làm thô (ii), phần bạc còn lại được tẩy sạch (iii). Vật liệu vàng có cấu trúc phân cấp với hai kích thước dầm khác nhau rõ ràng. Ảnh kính hiển vi điện tử các cấu trúc vi mô: (B) Ag-Au dạng nano, (C) nano Ag-Au thô và (D) Au nano phân cấp.

Bước cuối cùng, vật liệu lại được nhúng vào axit để tẩy sạch phần còn lại của bạc, chỉ để lại những chùm tia sợi nano vàng có kích thước đường kính trung bình 15 nanomet. Kết quả, các nhà khoa học tạo được một vật liệu có cấu trúc phân cấp với những kích thước chùm tia nano khác nhau rõ rệt, không khác gì tháp Eiffel. Do cấu trúc mạng lưới mở, vật liệu mới này có khoảng trống chứa đến 80 đến 90% không khí, mật độ kim loại rắn chỉ còn từ 10 - 20%.

Nhẹ và bền vững đến kinh ngạc

Nhóm nhà khoa học vật liệu đã kiểm tra những tính chất cơ học của các mẫu có kích thước milimet này. GS Jörg Weißmüller vui mừng cho biết, vật liệu có mật độ rất thấp nhưng cho thấy những giá trị đặc biệt cao đối với các thông số cơ học chính như sức bền vật liệu và mô đun đàn hồi. Kết quả này lần đầu tiên chứng minh rằng, một cấu trúc phân cấp có thể có hiệu quả cao không chỉ cho những cấu trúc giàn kỹ thuật vĩ mô như Tháp Eiffel mà còn cho các vật liệu cấu trúc dạng mạng có khối lượng nhẹ.

Vật liệu mới chưa phù hợp cho những ứng dụng trong xây dựng hoặc công nghiệp - đơn giản là vàng quá đắt, quá nặng và quá mềm. Nhưng phương pháp thiết kế vật liệu HZG mới có thể được tiến hành đối với các kim loại khác phù hợp thường sử dụng trong công nghệ như nhôm, magiê hoặc titan. 

Các nhà vật liệu học hiện đang chế tạo các mẫu nhỏ, kích thước milimet. Nhưng Weißmüller tin tưởng rằng, hoàn toàn khả thi khi sản xuất những sợi dây kim loại hoặc thậm chí toàn bộ tấm kim loại bằng quy trình công nghệ này.