Các nhà khoa học phát hiện thứ kim loại có thể tự phục hồi giống như da người

Bạn có thể nghĩ rằng kim loại tự phục hồi là thứ chỉ xuất hiện trong phim khoa học viễn tưởng, có lẽ giống như người máy biến hình trong "Kẻ hủy diệt 2: Ngày phán xét". Nhưng ở thời điểm hiện tại, loại vật liệu này đã không còn là thứ chỉ xuất hiện trong các tác phẩm viễn tưởng.

Trong một nghiên cứu mới xuất hiện trên tạp chí Nature, các nhà khoa học đã chứng minh thành công đặc tính tự phục hồi trong một số kim loại, mở đường cho các ứng dụng sáng tạo trong tương lai gần. Có thể trong tương lai, xã hội loài người sẽ xuất hiện những cây cầu, phương tiện hoặc bất kỳ bộ phận cơ khí nào bị hao mòn có thể tự 'sửa chữa'.

Mỏi kim loại (Metal fatigue), hiện tượng các vết nứt cực nhỏ phát triển trong kim loại chịu ứng suất lặp đi lặp lại, là một thách thức lâu dài trong kỹ thuật. Thiệt hại đến từ hiện tượng này có xu hướng trầm trọng hơn theo thời gian và có thể dẫn đến hậu quả khôn lường trong các lĩnh vực quan trọng như hàng không và cơ sở hạ tầng. Nhưng những thí nghiệm gần đây được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia ở New Mexico có thể thay đổi vĩnh viễn cách các kỹ sư giải quyết loại lỗi này.

Các nhà nghiên cứu do Brad Boyce đứng đầu đang nghiên cứu sự mỏi kim loại trong bạch kim và họ tình cờ nhận thấy rằng các vết nứt trên vật liệu này có thể tự sửa chữa mà không cần sự can thiệp của họ. 

Sử dụng các miếng kim loại nhỏ làm từ bạch kim và đồng nguyên chất, các nhà nghiên cứu đã kéo vật liệu từ mỗi bên với tốc độ đáng kinh ngạc là 200 lần mỗi giây. Đúng như dự đoán, các vết nứt bắt đầu hình thành và lan rộng. Tuy nhiên, khoảng 40 phút sau thí nghiệm, các mảnh kim loại tự nhiên hợp nhất lại với nhau.

Boyce nói: "Điều này thực sự tuyệt vời khi được tận mắt chứng kiến. Những gì chúng tôi đã xác nhận là kim loại có khả năng tự 'chữa lành' một cách tự nhiên, ít nhất là trong trường hợp tổn thương do mỏi kim loại ở cấp độ nano".

Quá trình này được gọi là hàn lạnh. Mọi thứ xảy ra ở cấp độ nano, nghĩa là mắt người không nhìn thấy được. Hàn lạnh xảy ra khi hai miếng kim loại, có bề mặt phải nhẵn và sạch, kết hợp với nhau, tạo thành các liên kết nguyên tử tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tự sửa chữa. 

Về cơ bản, quá trình này cho phép hàn kim loại mà không cần nhiệt. Nhưng giờ đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng quá trình này có thể xảy ra một cách tự phát mà không cần chuẩn bị kỹ lưỡng, mở ra một thế giới ứng dụng mới.

Các mảnh kim loại được sử dụng trong các thí nghiệm dày khoảng 40 nanomet và rộng vài micromet. Trong khi quá trình hàn gắn được quan sát thấy ở bạch kim và đồng, các mô phỏng cho thấy hiện tượng này cũng có thể xảy ra ở các kim loại khác. Khả năng áp dụng bước đột phá này cho các vật liệu được điều chỉnh cho các mục đích cụ thể khiến các nhà khoa học phấn khích.

Ví dụ, các kỹ sư có thể thiết kế các cây cầu hoặc cơ sở hạ tầng nhạy cảm để tạo điều kiện cụ thể cho quá trình hàn nguội tự phát, giúp nâng cao đáng kể tuổi thọ của chúng. Hơn nữa, hiểu biết mới này có thể làm sáng tỏ sự thất bại do mỏi trong các cấu trúc hiện có.

Trước đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu các vật liệu tự phục hồi, chủ yếu tập trung vào nhựa. Tuy nhiên, đồng tác giả nghiên cứu Michael Demkowicz, giáo sư kỹ thuật và khoa học vật liệu tại Đại học Texas A&M, đã thấy trước tiềm năng tự phục hồi của kim loại từ một thập kỷ trước. Và giờ đây, với nghiên cứu thành công này, những dự đoán của ông đã trở thành sự thật.

Demkowicz nói: "Hy vọng của tôi là phát hiện này sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu vật liệu xem xét rằng, trong những trường hợp thích hợp, vật liệu có thể làm những điều mà chúng ta không ngờ tới".

Mặc dù còn quá sớm để thấy các ứng dụng hữu hình, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng trong thập kỷ tới, chúng ta có thể chứng kiến việc sử dụng các kim loại tự phục hồi trong thế giới thực. Mặc dù điều này không hoàn toàn giống với các robot thay đổi hình dạng mà chúng ta thấy trong khoa học viễn tưởng, nhưng đó là một bước tiến quan trọng đối với các vật liệu có thể tự chữa lành, giống như các mô hữu cơ như da người.

Như một cảnh báo quan trọng, các thí nghiệm được tiến hành trong chân không bằng kính hiển vi điện tử, các nhà khoa học rất muốn khám phá xem liệu quá trình này có xảy ra trong môi trường không khí bình thường hay không. Bất chấp điều đó, những phát hiện này có ý nghĩa sâu sắc đối với sự mỏi kim loại trong các phương tiện vũ trụ và các vết nứt dưới bề mặt không tiếp xúc với khí quyển.

Tương lai của kim loại tự phục hồi hứa hẹn to lớn cho nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng. Khi các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực hấp dẫn này, chúng ta có thể mong đợi một thế giới nơi vật liệu có thể tự sửa chữa, làm cho máy móc và cấu trúc trở nên mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn.