Vật liệu nhẹ nhất thế giới, nhẹ hơn cả không khí nay đã có thể in 3D

Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới với trọng lượng nhẹ hơn gấp 7,5 lần so với không khí, 1 mét khối graphene aerogel cũng chỉ nặng chưa đầy 160 gram. Thậm chí, graphene aerogel nhẹ hơn loại vật liệu nhẹ thứ hai thế giới là aerographite tới 12%.

Có một câu hỏi rất hay đó là nếu nhẹ hơn không khí thì sao vật liệu này không thể bay? Đó là vì có nhiều khoảng trống giữa các phân tử của vật liệu này khiến cho không khí len lỏi vào được, giúp cho nó không bay lên.

Có một biệt danh khá hài hước là "khói đóng băng", aerogel là một dạng chất rắn có thể uốn dẻo, dẫn điện, chịu được lực nén và khả năng thấm hút tốt.

Cũng chính vì đặc tính kỳ lạ của loại vật liệu này nên các nhà khoa học đã khám phá ra được rất nhiều những ứng dụng tiềm năng từ áo choàng tàng hình cho đến dọn dẹp môi trường. Chỉ với 1 gram aerogel đã đủ hấp thụ một số loại nguyên vật liệu có trọng lượng gấp tới 900 lần trọng lượng của chúng như dầu. Một phương pháp hoàn toàn rẻ hơn so với thị trường.

Hiện nay trong nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, silica aerogel là dạng hình thù phổ biến nhất được sử dụng để nghiên cứu aerogel. Điểm khó ở loại vật liệu này chính là việc không dễ dàng sản xuất. Tuy nhiên các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu và tìm ra thành công cách in 3D loại vật liệu nhẹ nhất thế giới này.

Mới đây, các nhà khoa học đến từ ĐH. bang New York và ĐH. bang Kansas, Mỹ cho biết đã có thể in 3D vật liệu aerogel lần đầu tiên. Toàn bộ quá trình đều được điều khiển tự động và đồng đều trên mọi lớp vật liệu.

Một khối graphene aerogel có thể lơ lửng trên đám cỏ hay ngay cả trên đầu những bông hoa

Bản thân aerogel là một lớp nguyên tử carbon tinh khiết, dày và có dạng hai chiều. Chúng xếp lại với nhau thành một mạng tổ ong hình lục giác. Để sản xuất graphene aerogel, các nhà nghiên cứu sẽ phải đóng băng lớp graphene và xếp chúng thành một cấu trúc 3 chiều.

Theo ScienceAlert nhận định, việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo thành công graphene aerogel lần đầu tiên cho thấy những nỗ lực đáng ghi nhận của các nhà nghiên cứu. Bởi lẽ cấu trúc phân tử của graphene aerogel vốn được nhận định rất khó để có thể in 3D.

Nhà nghiên cứu Akshat Rathi trong nhóm in 3D thành công graphene aerogel cho biết:

"Thông thường để in 3D graphene aerogel, vật liệu chính sẽ được trộn với các thành phần khác, ví dụ như polymer để có thể in phun trên máy in. Khi cấu trúc đã được định hình, polymer sẽ được tách riêng ra khỏi vật liệu chính sau một quá trình hóa học khác. Tuy vậy đối với trường hợp của aerogel, cách làm này có thể phá hủy cấu trúc tinh thể của aerogel".

Giải pháp được nhóm nghiên cứu đưa ra chính là graphene oxit - một dạng graphene kết hợp cùng phân tử oxy. Nhóm đã tiến hành pha trộn hợp chất này với nước và đặt trên một bề mặt được làm lạnh tới -25 độ C. Ở nhiệt độ này, các nhà nghiên cứu đã có thể ngay lập tức đóng băng từng lớp graphene riêng biệt và tạo nên cấu trúc graphene ba chiều.

Quy trình in 3D loại vật liệu nhẹ nhất thế giới - graphene aerogel

Rathi cũng cho biết thêm, sau khi quá trình tạo cấu trúc 3D hoàn tất, họ sẽ tiến hành tách bỏ các khối băng bủa vây xung quanh bằng cách sử dụng nitơ lỏng để đông khô nước và tách ra khỏi bề mặt vật thể mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc.

Lớp vật liệu aerogel với cấu trúc 3D sẽ tiếp tục được tác dụng với nhiệt nhằm tách nguyên tử oxy. Kết quả thu lại sẽ chỉ còn graphene aerogel. Theo Rathi khẳng định: "chất rắn thu được sẽ có mật độ thay đổi khác nhau từ 0,5 kg/m3 cho tới 10kg/m3. Graphene aerogel nhẹ nhất từng được sản xuất thành công có trọng lượng khoảng 0,16 kg/m3".

Hiện tại nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tìm hiểu cách thức sản xuất các dạng aerogel khác như silica aerogel sử dụng trên cùng một máy in. Được biết, nghiên cứu trên đã được xuất bản trên tạp chí Small mới đây.

Như vậy với tiến bộ mới nhất trong kỹ thuật sản xuất vật liệu này, chúng ta sẽ sớm thấy được sự xuất hiện của những sản phẩm siêu nhẹ nhưng "đa zi lăng" này trong mọi mặt của cuộc sống.

Tham khảo ScienceAlert