Thủy tinh bền như kim loại nhờ nguyên tố paladi

Một nhóm nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley và Học viện Công nghệ California, gọi tắt là Caltech, tại Mỹ đã tạo ra loại thủy tinh kim loại đặc biệt. Vật liệu này gây chú ý nhờ đồng thời sở hữu độ cứng cao, khả năng chịu lực đáng kể và độ dẻo khác thường ngay cả khi bị nén. Thành tựu trở nên nổi bật vì thủy tinh vốn thường được biết đến là vật liệu bền nhưng giòn, dễ nứt vỡ khi chịu tác động mạnh. Trong các loại thủy tinh thông thường, một vết nứt nhỏ có thể nhanh chóng lan rộng qua vật liệu, khiến toàn bộ sản phẩm mất khả năng chịu lực. Tình trạng tương tự cũng từng hạn chế khả năng ứng dụng của nhiều loại thủy tinh kim loại, dù chúng có cấu trúc và đặc tính cơ học đáng chú ý. Nhóm nghiên cứu đã tìm cách vượt qua điểm yếu này bằng cách bổ sung nguyên tố paladi vào thành phần thủy tinh kim loại. Paladi giúp vật liệu tăng độ bền dẻo và độ cứng, đồng thời tạo ra một dạng kính có thể uốn cong mà không lập tức bị nứt vỡ. Khi chịu áp lực, vật liệu mới hình thành nhiều vết biến dạng trượt bên trong thay vì để một vết nứt lớn phát triển liên tục. Cơ chế này giúp thủy tinh phân tán tác động, qua đó chịu va đập tốt hơn những loại thủy tinh kim loại khác. Robert Ritchie, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, nhận định kết quả này đánh dấu bước tiến mới trong quá trình chế tạo thủy tinh kim loại. Ông cho rằng các nghiên cứu tiếp theo có thể tạo ra thêm nhiều loại thủy tinh đạt độ cứng và độ bền cao hơn. Nhận định đó mở ra hướng phát triển vật liệu mới, trong đó thủy tinh không còn chỉ được xem là chất rắn dễ vỡ khi chịu lực. Theo nhóm nghiên cứu, paladi có tỷ lệ đàn hồi cao, khiến năng lượng cần thiết để hình thành các vết kéo thấp hơn nhiều so với năng lượng cần để biến chúng thành vết nứt. Những vết kéo ban đầu vì thế có thể xuất hiện mà chưa gây ra sự phá hủy lan rộng trong cấu trúc vật liệu. Thủy tinh được tăng cường tính dẻo, cho phép nó hấp thụ tác động và uốn cong thay vì vỡ đột ngột. Trước khi bổ sung paladi, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại thủy tinh kim loại có khả năng ngăn cản sự lan truyền của vết nứt. Bí quyết nằm ở một “hàng rào” sở hữu cấu trúc siêu nhỏ, được bố trí nhằm cản trở quá trình nứt phát triển qua vật liệu. Thiết kế ban đầu này tạo nền tảng để nhóm tiếp tục điều chỉnh thành phần, hướng đến khả năng chịu lực và biến dạng tốt hơn. Nguyên mẫu đầu tiên gồm những thanh thủy tinh có đường kính 1 mm, tạo thành từ hỗn hợp siêu nhỏ của paladi, phốtpho, silicon và german. Kích thước khiêm tốn của các thanh cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra đặc tính vật liệu, đồng thời đánh giá cách các thành phần tương tác trong cấu trúc thủy tinh kim loại. Kết quả cho thấy paladi có vai trò quan trọng trong việc giúp vật liệu duy trì độ bền khi chịu tác động cơ học. Sau đó, việc bổ sung thêm nguyên tố bạc cho phép các nhà nghiên cứu tăng độ dày của những thanh thủy tinh lên 6 mm. Sự thay đổi này cho thấy thành phần hóa học có thể ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và khả năng chế tạo các mẫu vật liệu thủy tinh kim loại. Từ những thanh nhỏ ban đầu, nghiên cứu đang đặt nền móng cho các vật liệu thủy tinh bền, dẻo và chịu va đập tốt hơn trong tương lai.