Kỹ thuật mới tạo ra kim loại siêu cứng từ các hạt nano

Thông thường, để làm cứng kim loại, các nhà luyện kim có thể dùng các phương pháp uốn cong, xoắn, cán mỏng hoặc đập. Các phương pháp này có tác dụng phá vỡ cấu trúc hạt - các miền tinh thể cực nhỏ, làm chúng vỡ thành các hạt nhỏ hơn, hạt càng nhỏ thì kim loại càng cứng.

Giờ đây, trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Chem, các nhà nghiên cứu ở Đại học Brown đã tìm ra một quy trình ngược lại để tạo ra kim loại cứng: thay vì phá vỡ các cấu trúc lớn trong kim loại để tạo thành các hạt nhỏ, họ lấy các hạt nhỏ và dồn chúng lại với nhau để tạo thành khối kim loại.

“Phương pháp dùng búa và các phương pháp làm cứng khác đều là những cách thay đổi cấu trúc hạt từ lớn xuống nhỏ, và rất khó để kiểm soát kích thước hạt sẽ đạt được," Ou Chen, giáo sư hóa học tại Brown và là tác giả của nghiên cứu mới cho biết. "Chúng tôi đã tạo ra các khối hạt nano gắn với nhau. Bằng cách này, chúng tôi có được kích thước hạt đồng nhất và có thể tùy chỉnh kích thước hạt theo nhu cầu."

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các "đồng xu" bằng cách sử dụng các hạt nano của vàng, bạc, paladium và các kim loại khác. Họ cho rằng phương pháp mới này có thể dễ dàng mở rộng để tạo ra các lớp phủ kim loại siêu cứng hoặc các bộ phận kim loại lớn dùng trong công nghiệp.

Chìa khóa của quá trình, Chen nói, là cách xử lý hóa học các khối hạt nano. Các hạt nano kim loại thường được bao phủ bởi các phân tử hữu cơ gọi là phối tử, thường ngăn cản sự hình thành các liên kết kim loại-kim loại giữa các hạt. Chen và nhóm của ông đã tìm ra cách loại bỏ những phối tử đó về mặt hóa học, cho phép các hạt dễ dàng hợp nhất với nhau.

Nghiên cứu cho thấy, các đồng xu kim loại được làm bằng kỹ thuật này cứng hơn đáng kể so với kim loại tiêu chuẩn. Ví dụ, đồng tiền vàng cứng hơn đồng vàng bình thường từ hai đến bốn lần. Các đặc tính khác như dẫn điện và phản xạ ánh sáng hầu như giống với kim loại tiêu chuẩn.

Về lý thuyết, Chen nói, kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra bất kỳ loại kim loại nào. Trên thực tế, Chen và nhóm của ông đã chứng minh họ có thể tạo ra một dạng kim loại kỳ lạ được gọi là thủy tinh kim loại hay kim loại vô định hình do chúng không có cấu trúc tinh thể định hình như ở kim loại thông thường. Thủy tinh kim loại có ưu điểm dễ đúc hơn kim loại truyền thống, cứng hơn và chống nứt vỡ tốt hơn, đồng thời thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp.

“Chế tạo thủy tinh kim loại từ một thành phần là rất khó làm, vì vậy hầu hết các loại thủy tinh kim loại đều là hợp kim," Chen cho biết. "Nhưng chúng tôi đã có thể làm được điều này với các hạt nano paladium vô định hình và sử dụng kỹ thuật mới để tạo ra thủy tinh kim loại paladium."

Chen bày tỏ hy vọng kỹ thuật mới sẽ được ứng dụng rộng rãi để làm ra các sản phẩm thương mại. Quá trình xử lý hóa học trên các hạt nano khá đơn giản, và áp suất được sử dụng để ép các hạt lại với nhau nằm trong phạm vi của các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn. Chen cũng đã được cấp bằng sáng chế cho kỹ thuật này.