Buzz
Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ, vừa ghi nhận độ cứng kỷ lục của một loại vật liệu khi khám phá về hợp chất được tạo ra từ chromium, cobalt, và nicken (CrCoNi). Hợp chất này không chỉ vô cùng uốn nắn mà còn có độ cứng vô cùng cao. Điều đặc biệt là độ cứng và độ dẻo của nó tăng lên khi nhiệt độ giảm, điều này trái ngược hoàn toàn với các vật liệu khác. Trong thiết kế kết cấu vật liệu, chúng ta luôn muốn chúng vừa cứng vừa dễ uốn và khó gãy; và các nhà khoa học đã tìm ra loại vật liệu đáp ứng được tất cả những yêu cầu này.CrCoNi là một phần của một nhóm kim loại được gọi là hợp chất entropy cao (HEAs). Tất cả các hợp chất hiện nay đều chứa tỷ lệ cao của một nguyên tố kết hợp với các nguyên tố bổ sung có tỷ lệ thấp hơn, nhưng HEA được tạo thành từ sự kết hợp đồng đều của từng nguyên tố cấu thành. Sự cân bằng này ở cấp độ nguyên tử mang lại độ bền và độ dẻo cực kỳ cao khi chịu lực. HEA đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn kể từ khi chúng được phát triển lần đầu tiên cách đây khoảng 20 năm, nhưng công nghệ cần thiết để đẩy vật liệu đến giới hạn của chúng trong các điều kiện khắc nghiệt thì mãi đến gần đây mới có.
Độ dai của vật liệu này gần nhiệt độ helium lỏng (20 Kelvin, -250 độ C) lên tới 500 MPa-Sqrt(meter) (đơn vị đo độ cứng), một con số đáng kinh ngạc.
Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu thử nghiệm CrCoNi và một hợp chất khác chứa thêm magan và sắt (CrMnFeCoNi) gần một thập kỷ trước. Họ tạo ra các mẫu hợp chất, sau đó hạ thấp nhiệt độ của chúng xuống gần bằng nhiệt độ nitrogen lỏng (khoảng 77 Kelvin hay -200 độ C) và phát hiện ra độ dai cực kỳ ấn tượng. Họ mất thêm 10 năm để thử nghiệm ở nhiều nhiệt độ khác nhau vì việc thiết lập phòng thí nghiệm cũng như tuyển dụng được các nhà nghiên cứu có khả năng hiểu được những gì đang xảy ra ở cấp độ phân tử là không hề dễ dàng tí nào.
Các hình ảnh và bản đồ nguyên tử từ các phương pháp này cho thấy rằng độ cứng của loại hợp chất này xuất phát từ ba yếu tố chướng ngại vật lệch vị trí ảnh hưởng theo một trình tự cụ thể khi lực tác động vào vật liệu. Quá trình lệch vị trí đầu tiên khiến các vùng của tinh thể trượt ra khỏi nhau trên các mặt phẳng song song.Hành động này thay thế các lớp tinh thể đơn vị để chúng không còn khớp với hướng vuông góc với sự trượt, tạo ra một loại chướng ngại vật. Lực tác động mạnh hơn tạo ra hiện tượng gọi là đan xen nano (nanotwinning), trong đó các khu vực của mạng tinh thể tạo thành một đối xứng phản chiếu với một ranh giới ở giữa. Cuối cùng, nếu lực tiếp tục tác động vào kim loại, năng lượng được đưa vào hệ thống sẽ thay đổi cách sắp xếp của các tinh thể, với các nguyên tử CrCoNi chuyển từ cấu trúc tinh thể lập phương sang cấu trúc lục giác. Chuỗi tương tác nguyên tử này đảm bảo rằng kim loại tiếp tục di chuyển, nhưng cũng gặp thêm lực cản từ các chướng ngại vật, điều mà hầu hết các vật liệu khác bị gãy khi biến dạng. Các phát hiện mới từ nhóm nghiên cứu này, cùng với những nghiên cứu gần đây khác về hợp chất entropy cao, có thể thách thức các quan điểm lâu nay về cách các đặc điểm vật lý tăng hiệu suất của vật liệu.
Bây giờ, khi cơ chế hoạt động bên trong của hợp chất CrCoNi đã được hiểu rõ hơn, hợp chất này và các hợp chất entropy cao khác đang tiến gần hơn đến việc áp dụng trong các trường hợp đặc biệt. Mặc dù việc sản xuất các vật liệu này tốn kém, nhưng chúng có giá trị để chế tạo để sử dụng trong những môi trường khắc nghiệt có thể phá hủy các hợp kim kim loại thông thường, như trong điều kiện nhiệt độ lạnh của không gian sâu.
Theo Berkeley Lab.
