The Storm Riders✔
Writer
Kim cương luôn giữ ngôi vương về độ cứng nhưng lại mang điểm yếu chí mạng là tính giòn, rất dễ vỡ vụn nếu chịu một cú đập trực diện. Bài toán đánh đổi muôn thuở giữa độ cứng và độ dai vừa tìm thấy lời giải nhờ một cấu trúc gia cố ở cấp độ nguyên tử.
Kim cương không chỉ là biểu tượng của sự sang trọng trong trang sức mà còn là một trong những vật liệu cứng nhất trên Trái Đất. (Ảnh minh họa: SCMP)
Kim cương từ lâu đã là biểu tượng của sự bất hoại và xa xỉ. Tuy nhiên, giới kỹ thuật đều hiểu rõ kim cương tự nhiên có một "gót chân Achilles" rất khó chịu: tính giòn giống như thủy tinh. Một vật thể làm từ kim cương có thể dễ dàng cắt gọt hầu hết mọi thứ, nhưng nếu đặt dưới một cú nện búa mạnh, nó hoàn toàn có thể vỡ tan tành.
Trong ngành công nghệ vật liệu, độ cứng và độ dai va đập thường là hai thái cực đối nghịch. Tăng được độ dai để chống nứt vỡ thì thường phải chấp nhận giảm độ cứng, và ngược lại. Sự đánh đổi này tồn tại suốt nhiều năm trên các công cụ cắt gọt, mài giũa công nghiệp.
Về bản chất, các ống nano carbon này giống như những "sợi cáp" siêu vi với đường kính chỉ bằng 1/10.000 độ dày sợi tóc người nhưng lại bền gấp hàng chục lần thép. Chúng đóng vai trò tương tự như hệ cốt thép trong khối bê tông, tạo nên một mạng lưới không gian 3D đan xen liên tục giữa các hạt kim cương.
Trước đây, ý tưởng kết hợp ống nano carbon với kim loại hay gốm từng thất bại vì các liên kết cơ học quá lỏng lẻo, lực va đập không thể truyền dẫn hiệu quả.
Mức áp suất này đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối. Nếu áp suất quá cao, các ống nano sẽ bị nén biến tính thành kim cương; nếu quá thấp, lượng bột carbon sẽ suy thoái thành than chì. Ở điểm cân bằng chuẩn xác, các ống nano giữ nguyên được cấu trúc sợi và tạo ra liên kết hóa học bền vững với mạng tinh thể kim cương ở cấp nguyên tử.
Quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy cơ chế triệt tiêu va đập rất ấn tượng:
* Ở kim cương thường, vết nứt sẽ chạy thẳng xuyên suốt khối vật liệu, gây nứt vỡ tức thì.
* Ở vật liệu mới, mạng lưới ống nano liên tục làm chệch hướng lan truyền của vết nứt, bẻ nhỏ và phân tán lực va đập ra nhiều hướng khác nhau để hấp thụ năng lượng.
Khả năng chịu va đập vượt trội này mở ra triển vọng ứng dụng rất lớn trong thực tế, từ các dòng dao cắt gọt siêu bền dùng cho gốm và kim loại cứng, mũi khoan thăm dò địa chất chịu tải cao, cho đến các cấu kiện chịu lực trong ngành hàng không vũ trụ.
Điểm yếu kinh điển của vật liệu tự nhiên cứng nhất
Kim cương không chỉ là biểu tượng của sự sang trọng trong trang sức mà còn là một trong những vật liệu cứng nhất trên Trái Đất. (Ảnh minh họa: SCMP)
Kim cương từ lâu đã là biểu tượng của sự bất hoại và xa xỉ. Tuy nhiên, giới kỹ thuật đều hiểu rõ kim cương tự nhiên có một "gót chân Achilles" rất khó chịu: tính giòn giống như thủy tinh. Một vật thể làm từ kim cương có thể dễ dàng cắt gọt hầu hết mọi thứ, nhưng nếu đặt dưới một cú nện búa mạnh, nó hoàn toàn có thể vỡ tan tành.
Trong ngành công nghệ vật liệu, độ cứng và độ dai va đập thường là hai thái cực đối nghịch. Tăng được độ dai để chống nứt vỡ thì thường phải chấp nhận giảm độ cứng, và ngược lại. Sự đánh đổi này tồn tại suốt nhiều năm trên các công cụ cắt gọt, mài giũa công nghiệp.
"Đổ bê tông cốt thép" ở cấp độ nano
Nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) phối hợp cùng Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh đã giải quyết mâu thuẫn này bằng cách đưa các ống nano carbon đa thành (MWCNT) vào bên trong cấu trúc tinh thể kim cương.Về bản chất, các ống nano carbon này giống như những "sợi cáp" siêu vi với đường kính chỉ bằng 1/10.000 độ dày sợi tóc người nhưng lại bền gấp hàng chục lần thép. Chúng đóng vai trò tương tự như hệ cốt thép trong khối bê tông, tạo nên một mạng lưới không gian 3D đan xen liên tục giữa các hạt kim cương.
Trước đây, ý tưởng kết hợp ống nano carbon với kim loại hay gốm từng thất bại vì các liên kết cơ học quá lỏng lẻo, lực va đập không thể truyền dẫn hiệu quả.
Ép ở áp suất 150.000 lần khí quyển
Để khắc phục điểm nghẽn liên kết, hỗn hợp bột kim cương siêu mịn và ống nano carbon được đưa vào môi trường cực hạn với nhiệt độ khoảng 2.000 độ C và áp suất lên tới 15 gigapascal (tương đương 150.000 lần áp suất khí quyển).Mức áp suất này đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối. Nếu áp suất quá cao, các ống nano sẽ bị nén biến tính thành kim cương; nếu quá thấp, lượng bột carbon sẽ suy thoái thành than chì. Ở điểm cân bằng chuẩn xác, các ống nano giữ nguyên được cấu trúc sợi và tạo ra liên kết hóa học bền vững với mạng tinh thể kim cương ở cấp nguyên tử.
Đập tan đường nứt, mở đường cho công nghiệp nặng
Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu mới đạt độ cứng khoảng 91,6 GPa – ngang ngửa kim cương đơn tinh thể tự nhiên. Điểm đáng kinh ngạc nằm ở độ dai, đạt mức 36,4 MPa·m^(1/2), cao gấp 5 đến 6 lần kim cương truyền thống và vượt qua cả độ dai của các hợp kim vonfram chuyên dùng làm lõi đạn xuyên giáp.Quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy cơ chế triệt tiêu va đập rất ấn tượng:
* Ở kim cương thường, vết nứt sẽ chạy thẳng xuyên suốt khối vật liệu, gây nứt vỡ tức thì.
* Ở vật liệu mới, mạng lưới ống nano liên tục làm chệch hướng lan truyền của vết nứt, bẻ nhỏ và phân tán lực va đập ra nhiều hướng khác nhau để hấp thụ năng lượng.
Khả năng chịu va đập vượt trội này mở ra triển vọng ứng dụng rất lớn trong thực tế, từ các dòng dao cắt gọt siêu bền dùng cho gốm và kim loại cứng, mũi khoan thăm dò địa chất chịu tải cao, cho đến các cấu kiện chịu lực trong ngành hàng không vũ trụ.
