Buzz
Mỹ vừa đạt được một bước đột phá với vật liệu có tiềm năng làm thay đổi hoàn toàn ngành xây dựng.
Các nhà khoa học từ Đại học Bang Bắc Carolina (North Carolina State University) vừa phát triển thành công một loại vật liệu composite gia cường sợi có khả năng tự phục hồi hư hỏng bên trong hơn 1.000 lần. Đột phá này hứa hẹn sẽ kéo dài tuổi thọ của máy móc và công trình quan trọng, thậm chí có thể lên đến hàng trăm năm.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), trong đó mô tả cơ chế tự sửa chữa các vết nứt giữa các lớp vật liệu thông qua quy trình gia nhiệt tự động.
Hiện nay, composite polymer gia cường sợi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, tua bin gió, máy bay và các kết cấu chịu lực nhờ vào đặc tính nhẹ và bền chắc. Tuy nhiên, vật liệu này vẫn có một điểm yếu lớn: hiện tượng “tách lớp” – khi các lớp sợi gia cường bị tách khỏi ma trận polymer xung quanh. Theo thời gian, các vết nứt vi mô dần dần tích tụ, làm giảm độ bền và gây nguy hiểm cho cấu trúc.
Nhóm nghiên cứu tại NC State đã khắc phục được vấn đề này bằng hai cải tiến quan trọng. Đầu tiên, họ tích hợp một lớp nhựa nhiệt dẻo có khả năng tự phục hồi, được in 3D, đặt giữa các lớp sợi gia cường. Lớp trung gian này giúp tăng cường khả năng chống nứt, thậm chí có thể tăng gấp hai đến bốn lần độ bền của vật liệu composite truyền thống.
Thứ hai, nhóm đã tích hợp các lớp gốc carbon có khả năng sinh nhiệt khi được cấp điện vào vật liệu. Khi hệ thống được kích hoạt, nhiệt lượng tạo ra sẽ làm nóng chảy một phần lớp nhựa nhiệt dẻo, cho phép vật liệu này chảy vào các vết nứt và tái liên kết các lớp bị tách rời. Quá trình này có thể lặp đi lặp lại mà không cần thay thế linh kiện.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu này có độ bền đáng kinh ngạc. Trong suốt 40 ngày, nhóm nghiên cứu đã chủ động tạo ra các vết tách lớp dài khoảng 5 cm và kích hoạt quá trình tự phục hồi hơn 1.000 chu kỳ. Kết quả cho thấy vật liệu duy trì hiệu suất vượt trội so với composite thông thường – vốn sẽ bị suy giảm rõ rệt sau nhiều năm sử dụng.
Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu vật liệu cần tự phục hồi theo chu kỳ mỗi mùa, tuổi thọ có thể lên tới khoảng 125 năm. Nếu chỉ cần phục hồi mỗi năm một lần, tuổi thọ có thể kéo dài hàng thế kỷ. Đặc biệt, ngay cả sau hàng trăm chu kỳ tự sửa chữa, độ bền giữa các lớp vật liệu chỉ giảm dần dần thay vì suy giảm đột ngột.
Vật liệu này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là các trang trại điện gió ở khu vực xa xôi, khả năng tự phục hồi sẽ giúp giảm chi phí bảo trì và thay thế. Trong ngành hàng không vũ trụ và thăm dò không gian sâu, nơi sửa chữa gần như không thể thực hiện, công nghệ này có thể tạo ra sự thay đổi lớn về độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị.
Ngoài lợi ích kinh tế, vật liệu composite bền vững còn giúp giảm tiêu thụ năng lượng, hạn chế rác thải công nghiệp và tối ưu hóa vòng đời sản phẩm – yếu tố quan trọng trong bối cảnh chuyển đổi xanh toàn cầu hiện nay.
