Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công một loại vật liệu có thể tự chữa lành vết hư tổn, hứa hẹn mang lại những ứng dụng thiết thực trong đời sống. Ảnh chụp quá trình tự chữa lành của vật liệu dưới tác động của tia laser hồng ngoại. (Ảnh: Science Daily) Có lẽ bạn đã từng thấy trên phim ảnh: Các s...
Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công một loại vật liệu có thể tự chữa lành vết hư tổn, hứa hẹn mang lại những ứng dụng thiết thực trong đời sống.
Ảnh chụp quá trình tự chữa lành của vật liệu dưới tác động của tia laser hồng ngoại. (Ảnh: Science Daily)
Có lẽ bạn đã từng thấy trên phim ảnh: Các sát thủ robot nhanh chóng tái tạo cấu trúc của nó sau khi bị hủy hoại đến mức không thể nhận ra. Diễn tiến kiểu Terminator này đang trở nên gần với thực tế nhờ những tiến bộ khoa học liên quan đến việc xác định hư tổn của một hệ thống cấu trúc.
Nhóm chuyên gia nghiên cứu thuộc Đại học bang Arizona đã tạo ra một vật liệu không những cảm nhận được sự hư hỏng trong các cấu trúc - chẳng hạn như sự rạn nứt trong hợp chất composite được gia cố sợi - mà thậm chí còn tự chữa lành vết thương. Cấu trúc này bắt chước các hệ thống sinh học giống như xương để cảm nhận, ngăn chặn tiến trình hư tổn và tự tái tạo.
Vật liệu lạ thường này do Henry Sodano và các đồng sự chế tạo. Họ đã sử dụng các loại “polymer nhớ hình dạng” kết hợp với một mạng sợi quang vừa có chức năng như một thiết bị cảm biến phát hiện sự hư hỏng, vừa là hệ thống kích thích nhiệt để tạo ra phản ứng giống hệt các đặc điểm cảm nhận và tự chữa lành trong các hệ thống sinh học. Một tia laser hồng ngoại dẫn truyền ánh sáng xuyên qua hệ thống sợi quang để đốt nóng vật liệu này, kích thích cơ chế dẻo dai và tự chữa lành.
Hệ thống vật liệu này có khả năng tăng độ dẻo dai của một vật mẫu lên gấp 11 lần. Sau khi làm cho vật mẫu này trở nên dẻo, vết rạn nứt có thể dính lại bằng cách sử dụng tác dụng nhớ hình dạng để khôi phục đến 96% chiều dài ban đầu của vật thể đó. Vật liệu mới có thể được ứng dụng trong phẫu thuật.
Trong nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng, robot có thể nhanh chóng tái tạo cơ thể sau khi bị phá hủy nghiêm trọng, nhưng khả năng ấy từng được xem chủ yếu là sản phẩm tưởng tượng. Những tiến bộ mới trong khoa học vật liệu đang khiến hình ảnh đó trở nên gần thực tế hơn, nhờ các hệ thống có thể phát hiện hư hỏng rồi tự phục hồi. Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công một loại vật liệu tự tái sinh, mở ra triển vọng ứng dụng thiết thực trong đời sống và kỹ thuật.
Công trình này do nhóm chuyên gia thuộc Đại học bang Arizona thực hiện, với Henry Sodano cùng các đồng sự tham gia nghiên cứu và chế tạo vật liệu. Mục tiêu của nhóm không chỉ là tạo ra vật liệu chịu lực tốt, mà còn giúp nó nhận biết những tổn thương xuất hiện bên trong cấu trúc. Một ví dụ được đề cập là các vết rạn trong vật liệu composite gia cố bằng sợi, dạng hư hỏng khó quan sát nhưng có thể làm suy yếu toàn bộ hệ thống.
Vật liệu mới mô phỏng cách những hệ thống sinh học, chẳng hạn như xương, cảm nhận tổn thương, hạn chế hư hại lan rộng rồi tiến hành quá trình tái tạo. Cách tiếp cận này biến vật liệu từ một cấu trúc thụ động chỉ chịu lực thành hệ thống có khả năng phản ứng trước nguy cơ suy giảm độ bền. Nhờ vậy, vết nứt không chỉ được phát hiện sớm hơn, mà còn có cơ hội được xử lý trước khi gây ra hậu quả nghiêm trọng.
Để tạo nên hệ thống đặc biệt, nhóm nghiên cứu kết hợp các polymer nhớ hình dạng với một mạng sợi quang được bố trí bên trong vật liệu. Polymer nhớ hình dạng có thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi chịu tác động thích hợp, còn mạng sợi quang đảm nhiệm đồng thời vai trò cảm biến và bộ phận kích thích nhiệt. Sự phối hợp này tạo ra cơ chế tương tự hệ thống cảm nhận và tự chữa lành vốn thường thấy trong những cấu trúc sinh học.
Khi vật liệu xuất hiện hư hỏng, mạng sợi quang có thể hỗ trợ phát hiện thay đổi trong cấu trúc, qua đó cung cấp dấu hiệu về vị trí hoặc tình trạng tổn thương. Một tia laser hồng ngoại sau đó truyền ánh sáng xuyên qua mạng sợi quang, làm nóng vật liệu và kích thích cơ chế dẻo dai cùng khả năng tự chữa lành. Quá trình này không phải phép màu tức thời, mà là sự kết hợp có kiểm soát giữa năng lượng laser, đặc tính polymer và cấu trúc sợi quang.
Các thử nghiệm cho thấy hệ thống vật liệu có thể làm độ dẻo dai của một vật mẫu tăng lên gấp 11 lần so với trạng thái ban đầu được khảo sát. Khi mẫu vật trở nên dẻo hơn, vết rạn nứt có thể được gắn lại nhờ hiệu ứng nhớ hình dạng của polymer. Sau quá trình phục hồi, vật thể có thể lấy lại tới 96% chiều dài ban đầu, một kết quả cho thấy tiềm năng đáng chú ý của vật liệu tự tái sinh.
Những con số này đặc biệt quan trọng vì độ dẻo dai quyết định khả năng vật liệu chống chịu trước lực tác động và hạn chế việc vết nứt tiếp tục phát triển. Nếu được hoàn thiện, công nghệ có thể giúp các cấu trúc duy trì hoạt động lâu hơn, giảm nhu cầu thay thế và hỗ trợ phát hiện hư hỏng trước khi sự cố lớn xảy ra. Tuy nhiên, thông tin hiện có mới tập trung vào kết quả chế tạo và thử nghiệm vật mẫu, chưa khẳng định phạm vi triển khai rộng rãi ngoài thực tế.
Một hướng ứng dụng được bài gốc nêu ra là lĩnh vực phẫu thuật, nơi vật liệu có khả năng tự phục hồi có thể đem lại những triển vọng đáng chú ý. Ý tưởng này cho thấy vật liệu thông minh không chỉ phục vụ máy móc, phương tiện hay công trình, mà còn có thể liên quan đến những giải pháp hỗ trợ y khoa. Từ cảm biến sợi quang, laser hồng ngoại và polymer nhớ hình dạng, nghiên cứu của Henry Sodano cùng cộng sự đang đưa vật liệu tự chữa lành tiến gần hơn với đời sống.
