Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley bên Mỹ vừa mới làm nên chuyện lớn nè! Họ phát hiện ra hợp kim làm từ chromium, cobalt và nickel (gọi tắt là CrCoNi) có độ cứng khủng nhất từ trước đến giờ luôn. Nghe nói vật liệu này vừa dễ uốn vừa cứng rắn, nghe mâu thuẫn nhưng lại là sự thật đấy
Điểm đặc biệt nhất là càng lạnh thì nó càng cứng và dẻo hơn, hoàn toàn ngược với mấy vật liệu khác mình vẫn biết. Thường thì các nhà khoa học phải chọn là vật liệu cứng HOẶC dễ uốn thôi, nhưng em CrCoNi này có cả hai luôn. Quá xịn xò!
CrCoNi thuộc nhóm hợp kim entropy cao (HEAs) - loại hợp kim mà các nguyên tố trộn đều tăm tắp chứ không phải kiểu một nguyên tố nhiều, các nguyên tố kia ít như hợp kim thường. Sự cân bằng ở cấp độ nguyên tử này khiến nó siêu bền và siêu dẻo khi chịu lực.
HEA được phát triển từ khoảng 20 năm trước, nhưng công nghệ để test giới hạn của chúng trong điều kiện khắc nghiệt thì mới có gần đây thôi nha. Độ dai của vật liệu này ở nhiệt độ helium lỏng (20 Kelvin hay -250 độ C) lên tới 500 MPa-Sqrt(meter) luôn!
Để các bạn hình dung nha: silicon có độ cứng là 1, khung nhôm máy bay khoảng 35, thép tốt nhất khoảng 100. Vậy mà em này 500 nha! Kinh hoàng chưa?
Nhóm nghiên cứu bắt đầu test CrCoNi và một hợp kim khác có thêm mangan và sắt (CrMnFeCoNi) từ gần 10 năm trước. Họ tạo mẫu hợp kim, rồi làm lạnh xuống gần bằng nhiệt độ nitrogen lỏng (khoảng 77 Kelvin hay -200 độ C) và phát hiện độ dai siêu đỉnh của chúng.
Mất thêm 10 năm nữa để test ở nhiều nhiệt độ khác vì setup phòng lab và tuyển người hiểu chuyện ở cấp độ phân tử không hề dễ tí nào. Thật sự là công trình mất công sức và thời gian cực kỳ
Giải thích hơi khoa học tí nha: Nhiều chất rắn, kể cả kim loại, tồn tại dạng tinh thể với kiểu nguyên tử 3D lặp lại gọi là ô đơn vị, tạo nên mạng tinh thể. Độ bền và độ dẻo của vật liệu phụ thuộc vào tính chất vật lý của mạng tinh thể này.
Không có tinh thể nào hoàn hảo cả, nên các ô đơn vị luôn có "khuyết điểm", ví dụ như sự lệch vị trí - nơi mạng tinh thể không biến dạng chạm với mạng tinh thể bị biến dạng. Khi có lực tác động lên vật liệu - kiểu như uốn cong cái muỗng - thì hình dạng thay đổi do chuyển động lệch vị trí mạng tinh thể.
Lệch vị trí càng dễ thì vật liệu càng mềm. Nhưng nếu bị chặn bởi chướng ngại vật dạng bất thường mạng tinh thể thì cần nhiều lực hơn để di chuyển các nguyên tử và vật liệu trở nên bền hơn. Tuy nhiên, các chướng ngại vật thường làm vật liệu giòn hơn, dễ nứt hơn.
Dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, tán xạ ngược electron và truyền electron qua kính hiển vi, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Đại học Bristol, Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton và Đại học New South Wales đã kiểm tra cấu trúc mạng tinh thể của các mẫu CrCoNi đã bị gãy ở nhiệt độ phòng và 20 K.
Các hình ảnh và bản đồ nguyên tử cho thấy độ cứng của hợp kim này là do bộ ba chướng ngại vật lệch vị trí tác động theo thứ tự cụ thể khi có lực tác dụng lên vật liệu.
Đầu tiên, quá trình lệch vị trí làm các vùng tinh thể trượt ra khỏi các vùng khác trên các mặt phẳng song song. Chuyển động này thay thế các lớp ô đơn vị để hình dạng của chúng không còn khớp với hướng vuông góc với chuyển động trượt, tạo ra chướng ngại vật.
Lực mạnh hơn tạo ra hiện tượng đan xen nano (nanotwinning) - các khu vực mạng tinh thể tạo thành đối xứng phản chiếu với ranh giới ở giữa. Cuối cùng, nếu lực tiếp tục tác dụng, năng lượng sẽ thay đổi cách sắp xếp của chính các ô đơn vị, với các nguyên tử CrCoNi chuyển từ tinh thể lập phương tâm diện sang cấu trúc lục giác.
Chuỗi tương tác nguyên tử này đảm bảo kim loại tiếp tục chuyển động nhưng cũng tiếp tục gặp lực cản mới từ các chướng ngại vật xa hơn điểm mà hầu hết vật liệu bị gãy do biến dạng. Quá thông minh phải không nào!
Những phát hiện mới này, cùng với các nghiên cứu gần đây khác về HEAs, có thể buộc cộng đồng khoa học vật liệu phải suy nghĩ lại các quan niệm lâu nay về cách đặc điểm vật lý làm tăng hiệu suất của vật liệu.
Giờ đây, khi đã hiểu rõ cơ chế hoạt động bên trong của hợp kim CrCoNi, nó và các HEA khác đang tiến gần hơn đến việc được sử dụng thực tế. Mặc dù tạo ra những vật liệu này khá tốn kém, nhưng chúng rất đáng để chế tạo cho những môi trường khắc nghiệt có thể phá hủy hợp kim kim loại bình thường - ví dụ như trong điều kiện nhiệt độ lạnh giá của không gian sâu. Tương lai có thể sẽ thấy nó trên tàu vũ trụ đấy!
Nguồn: tinhte.vn