Thư viện Nguồn Tin KH&CN Tài nguyên là trí thức
Bài viết liên quan
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cách làm cho gốm sứ cứng hơn và có khả năng chống nứt tốt hơn. Bằng cách chế tạo những vật liệu này bằng cách sử dụng hỗn hợp các nguyên tử kim loại sở hữu nhiều electron hơn ở lớp vỏ ngoài, một nhóm do các kỹ sư tại Đại học California San Diego dẫn đầu đã mở khóa tiềm năng cho phép gốm sứ chịu được mức lực và ứng suất cao hơn trước.
Gốm sứ mang lại nhiều lợi ích nhờ những đặc tính vượt trội của chúng, bao gồm khả năng chịu được nhiệt độ cực cao, chống ăn mòn và mài mòn bề mặt cũng như duy trì cấu hình nhẹ. Những đặc tính này làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau như các bộ phận hàng không vũ trụ và lớp phủ bảo vệ cho động cơ và dụng cụ cắt. Tuy nhiên, điểm yếu của họ luôn là sự dễ vỡ. Họ dễ dàng phá vỡ khi bị căng thẳng.
Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp có thể làm cho gốm sứ khó bị vỡ hơn. Họ đã công bố công trình của mình gần đây trên tạp chí Science Advances .
Nghiên cứu do giáo sư kỹ thuật nano Kenneth Vecchio của UC San Diego dẫn đầu, tập trung vào một loại gốm sứ được gọi là cacbua entropy cao. Những vật liệu này có cấu trúc nguyên tử rất rối loạn, bao gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhiều nguyên tố kim loại từ cột thứ tư, thứ năm và thứ sáu của bảng tuần hoàn. Những kim loại này bao gồm titan, niobi và vonfram chẳng hạn. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chìa khóa để tăng cường độ dẻo dai của gốm nằm ở việc sử dụng các kim loại từ cột thứ năm và thứ sáu của bảng tuần hoàn, do chúng có số lượng electron hóa trị cao hơn.
Các electron hóa trị – những electron cư trú ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử và tham gia liên kết với các nguyên tử khác – được chứng minh là yếu tố then chốt. Bằng cách sử dụng kim loại có số electron hóa trị cao hơn, các nhà nghiên cứu đã cải thiện thành công khả năng chống nứt của vật liệu khi chịu tải trọng cơ học và ứng suất.
Vecchio cho biết: “Những electron bổ sung đó rất quan trọng vì chúng làm cho vật liệu gốm trở nên dẻo hơn một cách hiệu quả, nghĩa là nó có thể bị biến dạng nhiều hơn trước khi vỡ, tương tự như kim loại”.
Để hiểu rõ hơn về hiệu ứng này, nhóm của Vecchio đã hợp tác với Davide Sangiovanni, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Linköping, Thụy Điển. Sangiovanni đã thực hiện các mô phỏng tính toán và nhóm của Vecchio đã chế tạo và thử nghiệm các vật liệu bằng thực nghiệm.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các cacbua có entropy cao có sự kết hợp khác nhau của năm nguyên tố kim loại. Mỗi sự kết hợp mang lại nồng độ electron hóa trị khác nhau trong vật liệu.
Họ đã xác định được hai cacbua có entropy cao có khả năng chống nứt đặc biệt dưới tải trọng hoặc ứng suất nhờ nồng độ electron hóa trị cao. Một loại bao gồm các kim loại vanadi, niobium, tantalum, molypden và vonfram. Biến thể khác thay thế niobi bằng crom trong hỗn hợp.
Dưới tác dụng của tải trọng hoặc ứng suất cơ học, những vật liệu này có thể biến dạng hoặc giãn ra tương ứng, giống với hoạt động của kim loại hơn là phản ứng giòn điển hình của gốm sứ. Khi những vật liệu này bị đâm thủng hoặc bị kéo ra, các liên kết bắt đầu bị phá vỡ, tạo thành những lỗ hở có kích thước nguyên tử. Sau đó, các electron hóa trị bổ sung xung quanh các nguyên tử kim loại được tổ chức lại để bắc cầu cho các lỗ này, tạo thành các liên kết mới giữa các nguyên tử kim loại lân cận. Cơ chế này bảo toàn cấu trúc của vật liệu xung quanh các lỗ hở, ngăn chặn chúng phát triển lớn hơn và hình thành các vết nứt một cách hiệu quả.
Đồng tác giả nghiên cứu Kevin Kaufmann, Tiến sĩ kỹ thuật nano của UC San Diego, cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng có sự biến đổi cơ bản này xảy ra ở cấp độ nano, nơi các liên kết đang được sắp xếp lại để giữ vật liệu lại với nhau”. cựu sinh viên từ phòng thí nghiệm của Vecchio. “Thay vì chỉ cắt ngang bề mặt vết nứt, vật liệu sẽ bị sờn từ từ giống như một sợi dây khi bị kéo. Bằng cách này, vật liệu có thể thích ứng với biến dạng đang xảy ra này và không bị hỏng theo kiểu giòn.”
Thách thức hiện nay nằm ở việc mở rộng quy mô sản xuất những loại gốm bền này cho các ứng dụng thương mại. Điều đó có thể giúp chuyển đổi các công nghệ dựa trên vật liệu gốm hiệu suất cao, từ các bộ phận hàng không vũ trụ đến cấy ghép y sinh.
Độ dẻo dai mới được phát hiện của những loại gốm sứ này cũng mở đường cho việc sử dụng chúng trong các ứng dụng cực kỳ phức tạp, chẳng hạn như các cạnh dẫn đầu của phương tiện siêu thanh. Vecchio giải thích: Gốm sứ cứng hơn có thể đóng vai trò phòng thủ tuyến đầu cho những phương tiện này, che chắn các bộ phận quan trọng khỏi bị tác động bởi các mảnh vụn và cho phép phương tiện sống sót tốt hơn trong các chuyến bay siêu thanh.
Vecchio cho biết: “Bằng cách giải quyết hạn chế lâu dài của gốm sứ, chúng tôi có thể mở rộng đáng kể việc sử dụng chúng và tạo ra các vật liệu thế hệ tiếp theo có tiềm năng cách mạng hóa xã hội của chúng ta”.
Công trình này được hỗ trợ bởi Hội đồng nghiên cứu Thụy Điển (cấp VR-2018-05973 và VR-2021-04426), Vật liệu kích thước nano chức năng của Trung tâm Năng lực (cấp 2022-03071), Quỹ Olle Engkvist, Trung tâm nghiên cứu vật liệu kỹ thuật nano thuộc Khoa UC San Diego, National Chương trình học bổng sau đại học về Khoa học và Kỹ thuật Quốc phòng, Quỹ ARCS (Chi nhánh San Diego) và Nhóm Oerlikon.
PV (sciencedaily.com)
