Kim loại nhẹ hơn xốp 100 lần

Một nhóm nhà khoa học Mỹ vừa phát triển thành công một loại kim loại đặc biệt, nhẹ hơn xốp tới 100 lần, mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu siêu nhẹ. Công trình do liên minh gồm các nhà khoa học thuộc Đại học California, Phòng thí nghiệm LHR và Viện Công nghệ California thực hiện. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Khoa học trong số ra ngày 18/11, thu hút sự chú ý nhờ cấu trúc khác thường cùng những đặc tính cơ học hiếm thấy. Vật liệu mới nhẹ đến mức các nhà nghiên cứu có thể đặt nó lên đỉnh một bông hoa bồ công anh mà không tạo ra bất kỳ dao động đáng kể nào. Mức độ nhẹ này không đến từ việc sử dụng một kim loại hoàn toàn mới, mà chủ yếu bắt nguồn từ cách các nhà khoa học tổ chức vật liệu bên trong. Họ tạo nên một cấu trúc vi mạng độc đáo, gồm những thành phần liên kết với nhau, giúp vật liệu chứa tới 99,99% không khí và chỉ khoảng 1% chất rắn. Phần chất rắn trong cấu trúc có kích cỡ trải rộng từ nanomet, micron đến milimét, tạo nên mạng lưới cực kỳ thưa nhưng vẫn duy trì khả năng chịu lực. Bí quyết quan trọng nằm ở hệ thống các ống rỗng kết nối liên tục, với thành ống mỏng hơn 1.000 lần so với đường kính một sợi tóc người. Theo TS Tobias Schaedler thuộc Phòng thí nghiệm LHR, chính mạng ống rỗng này giúp vật liệu đạt độ nhẹ đặc biệt mà vẫn sở hữu cấu trúc ổn định. Những thành phần siêu mảnh được sắp xếp thành mạng lưới, từ đó tạo ra một vật liệu gần như toàn không gian rỗng nhưng không bị biến thành khối dễ vỡ. Cấu trúc vi mạng còn đem lại cho kim loại những tính năng cơ học trước đây chưa từng được ghi nhận ở một vật liệu kim loại thông thường. Đáng chú ý, vật liệu có thể bị nén để tạo ra mức biến dạng vượt quá 50%, một khả năng liên quan trực tiếp đến hiệu quả hấp thụ năng lượng. Khi chịu tác động, mạng lưới bên trong có thể biến dạng đáng kể, phân tán lực thay vì truyền toàn bộ lực vào một điểm như nhiều vật liệu đặc. Nhờ đặc tính đó, khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu được đánh giá là cực kỳ cao, dù khối lượng của nó thấp hơn xốp rất nhiều. Đây là điểm khiến công trình không chỉ gây ấn tượng bởi con số về trọng lượng, mà còn bởi tiềm năng giải quyết những yêu cầu kỹ thuật thực tế. Một hướng ứng dụng được các nhà khoa học đề cập là sản xuất điện cực pin, nơi vật liệu nhẹ và cấu trúc có thể kiểm soát đóng vai trò quan trọng. Vật liệu này cũng có thể được nghiên cứu cho quá trình hấp thụ năng lượng âm thanh, giúp giảm hoặc kiểm soát các tác động không mong muốn trong môi trường. Ngoài âm thanh, cấu trúc vi mạng còn phù hợp với những ứng dụng cần hấp thụ năng lượng dao động, vốn xuất hiện trong nhiều hệ thống kỹ thuật. Khả năng hấp thụ năng lượng do va chạm cũng mở ra triển vọng sử dụng vật liệu trong các thiết kế cần giảm tác động của lực đột ngột. Tuy nhiên, bài nghiên cứu mới tập trung vào việc phát triển và mô tả vật liệu, chưa đưa ra danh sách sản phẩm thương mại cụ thể. Các ứng dụng được nêu vẫn cần thêm quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện trước khi có thể chuyển thành giải pháp phổ biến trong đời sống. Giá trị nổi bật của công trình nằm ở việc chứng minh một kim loại có thể vừa cực nhẹ, vừa duy trì khả năng chịu biến dạng và hấp thụ năng lượng. Sự kết hợp giữa không khí, các ống rỗng và những thành phần rắn siêu nhỏ đã tạo nên một cách tiếp cận khác biệt trong lĩnh vực vật liệu. Đồng tác giả William Carter nhận định đây được coi là một cuộc cách mạng trong nghiên cứu vật liệu siêu nhẹ, nhờ những đặc tính chưa từng xuất hiện cùng nhau. Công trình vì vậy trở thành dấu mốc đáng chú ý, cho thấy việc thiết kế cấu trúc ở nhiều kích thước có thể thay đổi căn bản hành vi của kim loại.