Mới đây, các chuyên gia của Mỹ đã chế tạo ra vật liệu carbon có cấu trúc nano. Cấu trúc này dạng tấm được các chuyên gia đánh giá có tiềm năng ứng dụng lớn. Đặc biệt là ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Sự kết hợp giữa độ bền, độ cứng và mật độ khối lượng thấp của vật liệu “cấu trúc nano” sẽ tăng cường đáng kể hiệu suất của máy bay và tàu vũ trụ. Vật liệu mới này hứa hẹn có thể trở thành vật liệu thay thế tiềm năng tốt hơn thép, nhôm và sợi tổng hợp Kevlar.
Mục lục
Chuyên gia Mỹ đã chế tạo vật liệu carbon cấu trúc nano mới
Các kỹ sư từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT); Viện Công nghệ California (Caltech) của Mỹ và Viện Kỹ thuật Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zürich) đã chế tạo một vật liệu siêu nhẹ mới; từ các cấu trúc carbon kích cỡ nanomet giống như “thanh chống”. Vật liệu này cho độ bền cơ học và khả năng đàn hồi cao hơn.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra khả năng đàn hồi của vật liệu; bằng cách bắn nó bằng các vi hạt silic oxit (có đường kính chỉ 14 micromet) ở tốc độ siêu thanh; và nhận thấy rằng chỉ với độ dày mỏng hơn sợi tóc người; vật liệu đã có thể ngăn chặn đường đạn xuyên qua nó.
Các thành viên phòng thí nghiệm vật liệu kiến trúc của Lorenzo Valdevit đã dùng kính hiển vi điện tử và nhiều công nghệ khác do Viện nghiên cứu vật liệu Irvine cung cấp để xác minh phát hiện khoa học này.
Nhóm nghiên cứu cho biết, thành tích của nhóm dựa trên quy trình được gọi là in laser trực tiếp trùng hợp hai photon. Họ chiếu tia laser tập trung vào một giọt nhựa cây lỏng cực nhạy với tia cực tím để biến nó thành một loại polymer rắn, nơi các phân tử bị tấn công cùng lúc bởi hai photon. Bằng cách quét ba chiều, kỹ thuật này có thể ghép tế bào theo chu kỳ gồm các tấm mỏng 160 nanomet.
Mỗi tấm này có nhiều lỗ nhỏ cho phép loại bỏ nhựa thừa ra khỏi vật liệu hoàn thiện; rồi đưa qua quá trình nhiệt phân ở 900 độ C trong môi trường chân không suốt một tiếng đồng hồ. Cuối cùng, chúng ta có một mạng lưới carbon hình lập phương. Kết cấu vững chắc nhất đối với vật liệu xốp.
Những đặc tính của vật liệu carbon cấu trúc nano mới
Khả năng hấp thụ tác động lực
Tính toán cho thấy so với thép, nhôm, Kevlar và các vật liệu chống va đập khác có khối lượng tương đương. Vật liệu mới cho khả năng hấp thụ tác động lực hiệu quả hơn nhiều. Nếu được sản xuất trên quy mô lớn; nó hoàn toàn có thể trở thành một sự lựa chọn thay thế với mức giá phải chăng.
“Kiến thức từ công trình nghiên cứu này có thể cung cấp các nguyên tắc thiết kế cho vật liệu chống va đập siêu nhẹ để sản xuất áo giáp, lớp phủ bảo vệ và lá chắn chống nổ trong lĩnh vực quốc phòng và vũ trụ”. Giáo sư khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật y tế Julia R. Geer tại Caltech, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.
Cấu trúc nano
Cấu trúc nano, tùy thuộc vào cách chúng được sắp xếp. Nó có thể mang lại cho vật liệu những đặc tính độc đáo; tiêu biểu như độ nhẹ và khả năng phục hồi đặc biệt. Nhóm nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu về loại vật liệu này trong các điều kiện biến dạng nhanh. Tiêu biểu như tác động của tốc độ cao.
Tại Caltech, họ lần đầu tiên chế tạo một vật liệu cấu trúc nano; bằng cách sử dụng công nghệ in thạch bản hai photon. Đây là một kỹ thuật sử dụng tia laser nhanh với công suất cao; nhằm để làm rắn chắc các cấu trúc nano trong một loại nhựa cảm quang. Sau đó, nhóm đã xây dựng thành công một cấu hình mạng tinh thể lặp lại. Nó được gọi là tứ diện, bao gồm các thanh chống cực nhỏ.
“Trong khi carbon có đặc tính giòn; sự sắp xếp và kích thước nhỏ của các thanh chống trong vật liệu cấu trúc nano mới. Nó tạo ra một kiến trúc chịu uốn cong tốt giống như cao su”. Phó giáo sư kỹ thuật cơ khí Carlos Portela tại MIT; tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh.
Sau khi tạo hình cấu trúc mạng tinh thể, các nhà nghiên cứu rửa sạch nhựa còn sót lại; và đặt nó vào lò chân không nhiệt độ cao để chuyển polymer thành carbon. Cuối cùng tạo thành vật liệu carbon siêu bền, nhẹ.
Trong tương lai, Portela có kế hoạch khám phá thêm các cấu hình cấu trúc nano khác nhau. Cũng như các vật liệu ngoài carbon và tìm cách mở rộng quy mô sản xuất của chúng. Chi tiết nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí Nature Materials hôm 24/6.