Phát triển thành công vật liệu siêu bền nhưng mỏng hơn giấy 1.000 lần

Siêu mỏng, siêu nhẹ và siêu bền là những đặc tính mà các nhà khoa học đang muốn chúng cùng xuất hiện trên 1 loại vật liệu để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Việc cân bằng giữa các đặc tính trên cùng 1 vật liệu là thách thực cực kỳ khó khăn bởi quá chú trọng vào 1 đặc tính có thể khiến những đặc tính khác bị mất đi.

Tuy nhiên, các nhà khoa học ở trường Đại học Pennsylvania cuối cùng cũng đã vượt qua được rào cản này và tạo được đột phá khi chế tạo thành công loại vật liệu siêu mỏng, siêu nhẹ và siêu bền. Vật liệu mới này mỏng hơn tờ giấy tới 1.000 lần nhưng lại không bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực như vặn, xoắn.

1 vật liệu có đặc tính tương tự là graphene. Nó có kích thước chỉ bằng 1 nguyên tử nhưng lại dẫn nhiệt, dẫn điện rất tốt và cực kỳ cứng. Tuy vậy, vì đây là vật liệu 2 chiều, không có hình dáng cụ thể nên cần phải kết hợp với 1 thành phần khác như tấm nền hay khung để sử dụng. Điều này sẽ làm mất đi đặc tính siêu nhẹ ban đầu của graphene.

Các nhà khoa học ở trường Đại học Pennsylvania đã thành công trong việc tạo ra loại vật liệu mới có thể giữ vững hình dạng của graphene sau khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không cần tới các thành phần hỗ trợ nói trên. Họ đã tạo ra 1 tấm nền vật liệu với có kết cấu dạng lưới giống tổ ong và được uốn cong thay vì ở dạng phẳng. Kết cấu này cho phép họ tạo ra cấu trúc 3 chiều ở tỷ lệ nano.

Tấm nền này được tạo nên từ nhôm oxit lắng đọng với 1 lớp nguyên tử. Điều đó cho phép tạo được độ mỏng từ 25 đến 100 nm nhưng lại rất cứng.

Igor Bargatin, trưởng nhóm nghiên cứu chia sẻ: "Có thể coi nhôm oxit là 1 loại gốm vì bản chất dễ gãy, vỡ. Nhưng chúng tôi đã sử dụng phương pháp lắng đọng trên nền cấu trúc đặc biệt để khắc phục điểm yếu vốn có của nó cho phép vật liệu có thể trở về hình dạng cũ sau khi chịu tác dụng uốn cong, vặn xoắn".

Vật liệu mới mà các nhà khoa học trường Đại học Pennsylvania đã mở ra 1 hướng đi mới trong việc thay thế các vật liệu mỏng, kém bền và thường bị biến dạng. Vật liệu của họ còn khắc phục được hiện tượng lan các vết nứt thường thấy ở các công trình bởi khi 1 vết nứt, lỗ hổng xuất hiện trên vật liệu mới nó chỉ bị giới hạn ở 1 vùng nhỏ nhờ kết cấu tấm lưới tổ ong.

Đặc tính siêu mỏng, siêu nhẹ, siêu bền của vật liệu mới rất thích hợp để sử dụng cho những ngành công nghiệp hàng không hay vũ trụ. Trong tương lai xa hơn, vật liệu này có thể chế tạo được những đôi cánh cho robot côn trùng siêu nhỏ.

Trường nhóm Igor Bargatin cho biết:

"Cánh của côn trùng chỉ mỏng vài micron và khó có thể mỏng hơn được nữa. Vật liệu làm cánh mỏng nhất được biết đến là Mylar. Nó được chế tạo bằng cách lắng đọng một tấm phim Mylar lên tấm nền với độ dày khoảng 1/2 micron. Tuy nhiên, thành công của chúng tôi còn cho phép tạo ra tấm nền mỏng hơn tới 10 lần và không cần khung nền. Như vậy, trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn 1/10 g trên mỗi m2".