Vật liệu tự liền lại lấy cảm hứng từ chất lỏng

Thật khó tin một vết nứt nhỏ có thể phá hủy cả một cấu trúc kim loại khổng lồ, nhưng đôi khi các cây cầu bị sập, đường ống bị vỡ và thân máy bay bị tách ra do hiện tượng ăn mòn ở các vết nứt, vết rạn, vết sứt nhỏ khó phát hiện.

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Northwestern (Mỹ) đã phát triển một lớp phủ mới cho kim loại có khả năng tự phục hồi trong vài giây khi bị trầy xước hoặc rạn nứt. Vật liệu mới này có thể ngăn chặn các vết xước nhỏ biến thành ăn mòn cục bộ làm hỏng cả cấu trúc chính.

"Ăn mòn cục bộ là vấn đề cực kỳ nguy hiểm", Jiaxing Huang, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. Nó rất khó ngăn chặn, dự đoán và phát hiện, nhưng lại có thể dẫn đến tai họa nghiêm trọng."

Hệ thống vật liệu này của Huang đang chờ cấp bằng sáng chế. Khi bị hư hại do trầy xước và nứt, lớp vật liệu này dễ dàng chảy ra và kết nối lại để nhanh chóng làm liền vết nứt mà ta có thể quan sát bằng mắt.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu này có thể liền lại nhiều lần, ngay cả sau khi cào xước liên tiếp một vị trí tới gần 200 lần.

Nghiên cứu được công bố ngày 28/1/2019 trên tạp chí Research, tạp chí đối tác khoa học đầu tiên vừa được Hiệp hội vì sự tiến bộ khoa học Hoa Kỳ (AAAS) phối hợp với Hiệp hội Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (CAST) ra mắt. Huang là giáo sư về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật McCormick của ĐH Northwestern.

Mặc dù một vài loại vật liệu phủ có khả năng tự phục hồi đã tồn tại, nhưng những hệ thống đó thường hoạt động đối với các thiệt hại có kích thước từ nanometer (10⁻⁹ m) đến micron (10⁻⁶ m). Để phát triển một lớp phủ có thể làm liền các vết trầy xước lớn hơn ở quy mô millimeter (10⁻³ m), Huang và nhóm của ông đã tìm đến chất lỏng.

"Khi chiếc thuyền cắt qua dòng nước, dòng nước sẽ ngay lập tức hợp lại với nhau ", Huang nói. "Vết 'cắt' nhanh chóng lành lại vì nước chảy dễ dàng. Cảm hứng từ đó khiến chúng tôi nhận ra rằng các chất lỏng, ví dụ như dầu, là hệ thống tự phục hồi tối ưu."

Nhưng Huang nhận thấy dầu thông thường chảy quá trơn tru. Vì vậy, ông và nhóm cần phát triển một hệ thống có các đặc tính trái ngược nhau: đủ lỏng để tự chảy nhưng không quá lỏng đến mức nhỏ giọt ra khỏi bề mặt kim loại.

Nhóm nghiên cứu đã vượt qua thử thách đó bằng cách tạo ra một mạng lưới các hạt nhẹ - trong trường hợp này là các viên nang graphene - để làm đặc dầu.

Mạng lưới này sẽ ổn định lớp phủ dầu, giữ cho nó không bị nhỏ giọt. Nhưng khi mạng bị hỏng do vết nứt hoặc xước, nó sẽ giải phóng dầu chảy ra và làm kết nối lại. Huang cho biết vật liệu này có thể được chế tạo với bất kỳ loại hạt rỗng, nhẹ nào chứ không chỉ graphene.

"Về cơ bản, các hạt này làm bất động màng dầu" Huang nói.

Lớp phủ không chỉ bám dính mà còn bám dính cực tốt - ngay cả dưới nước và trong môi trường hóa học khắc nghiệt như bể axit. Huang nghĩ rằng nó có thể được sơn lên những phần bị chìm trong nước của cầu và thuyền, cũng như lên các cấu trúc kim loại gần những chất lỏng có khả năng ăn mòn cao dễ bị tràn hay rò rỉ.

Lớp phủ cũng có thể chịu được nhiễu mạnh và dễ bám vào các góc nhọn mà không bị bung ra. Khi được quét lên bề mặt chìm dưới nước, lớp phủ sẽ chảy đều mà không tạo thành các bọt bong bóng nhỏ giữ khí hoặc hơi nước bên trong tạo ra ăn mòn.