Buzz
Phát minh này đã làm đảo lộn những nguyên lý khoa học thông thường.
Nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Lan Châu (Trung Quốc) mới đây đã công bố một loại gốm thế hệ mới có khả năng uốn cong, nén chặt, làm mát, gia nhiệt và thậm chí nghiền nát mà không hề bị vỡ. Thành tựu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng quan trọng, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu vật liệu chịu điều kiện khắc nghiệt như hàng không vũ trụ và vận tải siêu thanh.
Gốm sứ từ lâu đã được coi là vật liệu lý tưởng cho môi trường nhiệt độ cao nhờ khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Chúng không dễ bị nóng chảy, cháy hay biến dạng, vì thế thường được sử dụng trong động cơ, tàu vũ trụ và các thiết bị làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của gốm truyền thống là tính giòn: chỉ cần uốn cong hoặc chịu lực va đập mạnh, vật liệu này có thể dễ dàng bị nứt vỡ.
Hơn nữa, khi hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao trong thời gian dài, cấu trúc bên trong của gốm có xu hướng trở nên thô ráp, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu. Những hạn chế này đã tạo ra bài toán nan giải cho các kỹ sư vật liệu, nhất là khi nhu cầu về vật liệu bền, nhẹ và linh hoạt ngày càng tăng.
Một trong những giải pháp từng được kỳ vọng là aerogel – vật liệu siêu nhẹ, với khả năng cách nhiệt rất tốt nhờ cấu trúc chủ yếu là không khí. Tuy nhiên, aerogel truyền thống lại thậm chí còn giòn hơn gốm thông thường, khiến việc ứng dụng thực tế bị hạn chế. Trong một kịch bản lý tưởng, các kỹ sư muốn phát triển một vật liệu có tính cơ học mềm dẻo như bọt biển, nhưng vẫn giữ được khả năng chịu nhiệt như gạch nung.
Vì vậy, xu hướng phát triển “gốm dẻo” đang thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng nghiên cứu. Nhóm khoa học tại Lan Châu đã theo đuổi hướng đi này, tạo ra một loại aerogel gốm hoàn toàn mới. Sau nhiều thử nghiệm và điều chỉnh, họ đã phát triển một vật liệu có thể nén tới 98% thể tích mà không bị phá hủy, đồng thời có khả năng đàn hồi trở lại gần như nguyên trạng, giống như cao su.
Đặc biệt, vật liệu này giữ được sự ổn định trong một phạm vi nhiệt độ rất rộng, từ mức cực thấp của nitơ lỏng (khoảng –196 °C) đến nhiệt độ cao lên tới 1.500 °C. Khả năng cách nhiệt của nó cũng vượt trội hơn so với nhiều loại gốm chịu nhiệt cao hiện tại.
Theo các nhà nghiên cứu, yếu tố then chốt nằm ở cấu trúc “entropy cao” mà họ áp dụng. Thay vì dùng một loại oxit kim loại duy nhất như trong gốm truyền thống, vật liệu mới này được tạo thành từ năm nguyên tố kim loại khác nhau, phân bổ ngẫu nhiên trong một mạng tinh thể.
Cấu trúc vi mô của aerogel gốm mới mang hình dạng mạng lưới sợi nano, với các sợi có đường kính khoảng 250 nanomet, tạo thành khung 3D giống lò xo. Những khoảng trống lớn giữa các sợi cho phép vật liệu dễ dàng bị nén khi chịu lực, đồng thời phân tán ứng suất đều trên toàn bộ cấu trúc, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng cục bộ.
Với những đặc tính này, nhóm nghiên cứu tin rằng vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm lớp vỏ cho phương tiện siêu thanh, vật liệu cách nhiệt cho tua bin, tấm chắn nhiệt, gioăng và vòng đệm của tàu vũ trụ. Hơn nữa, aerogel gốm dẻo cũng rất thích hợp cho các bộ phận trong ngành hàng không vũ trụ phải chịu rung động mạnh và nhiệt độ cao trong thời gian dài.
Nếu được thương mại hóa thành công, vật liệu này có thể đánh dấu một bước đột phá lớn trong khoa học vật liệu, giải quyết một vấn đề nan giải tồn tại suốt hàng thập kỷ trong ngành gốm chịu nhiệt.
