Thiên nhiên là người thầy vĩ đại nhất của người kỹ sư. Con người đã phát triển kim phẫu thuật từ muỗi, bóng đèn LED từ đom đóm và thậm chí cả công nghệ máy bay trực thăng từ chim ruồi.
Để tạo ra một số vật liệu hàng không vũ trụ cứng cáp nhất, các kỹ sư đã được gợi ý nhờ cấu trúc mạng tinh thể bên trong loài hoa súng khổng lồ (Victoria amazonica) và san hô ống đàn ống (Tubipora musica).
Mặt dưới của cây hoa súng khổng lồ (Victoria amazonica).
Tuy nhiên, quan sát một cấu trúc tự nhiên siêu bền là một chuyện, tái tạo nó bằng vật liệu nhân tạo lại là chuyện khác. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra “cấu trúc tế bào” rỗng tương tự như những cấu trúc được thấy trong tự nhiên, nhưng nỗ lực của họ đã bị thất bại do các vấn đề về sản xuất.
May mắn thay, thời đại in 3D hiện nay mang đến một mức độ tinh xảo cao đã cho phép các kỹ sư khám phá bí mật nhẹ nhưng bền của thiên nhiên.
Siêu vật liệu titan: Vũ khí chống hao mòn mới
Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Advanced Materials, các nhà khoa học từ Đại học Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT) ở Melbourne, Úc đã tạo ra một siêu vật liệu in 3D bền hơn 50% so với hợp kim magiê đúc WE54 có mật độ tương tự vốn được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ.
Siêu vật liệu mới được làm từ hợp kim titan thông thường. Điều làm nên sự khác biệt ở đây là cấu trúc của nó. Chất liệu này có thiết kế dạng lưới giống tự nhiên (ở cây hoa súng khổng lồ và san hô ống đàn ống) không chỉ khiến nó trở nên độc đáo mà còn cực kỳ chắc chắn.
Siêu vật liệu titan mạnh hơn 50% so với hợp kim magiê đúc cấp hàng không vũ trụ WE54. (Ảnh: RMIT).
Theo nghiên cứu mới của nhóm, vật liệu này bền hơn 50% so với hợp kim mạnh nhất tiếp theo có mật độ tương tự, được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã khắc phục được một vấn đề thường gặp với những “cấu trúc tế bào” rỗng này do ứng suất (sức căng) tập trung vào một số khu vực nhất định của thanh chống, dẫn đến hỏng hóc sớm. Thay vào đó, các nhà khoa học đã thiết kế một mạng lưới nhiều cấu trúc liên kết giúp phân bổ ứng suất tải đồng đều để tránh các “điểm nóng” chịu tải đồng thời làm chệch hướng các vết nứt dọc theo cấu trúc.
Ma Qian - Giáo sư nổi tiếng tại Đại học RMIT, đồng tác giả nghiên cứu cho biết trong một thông cáo báo chí: Chúng tôi đã thiết kế một cấu trúc mạng hình ống rỗng có một dải mỏng chạy bên trong. Hai yếu tố này cùng nhau thể hiện sức mạnh và sự nhẹ nhàng chưa từng thấy trong tự nhiên.
Việc tạo ra mạng lưới đa cấu trúc liên kết siêu bền này có thể thực hiện được nhờ vào máy in tổng hợp bột laser (L-PBF) của RMIT, phức tạp hơn nhiều so với máy in 3D để bàn thông thường của bạn.
Đúng như tên gọi của nó, chiếc máy này sử dụng bột kim loại được nung chảy tại chỗ bằng chùm tia laser công suất cao. Kết quả là một khối lưới titan (bền hơn 50% so với hợp kim magiê đúc WE54) ra đời.
Mức độ tự do sản xuất đáng kinh ngạc này cho phép các nhà nghiên cứu không chỉ tạo ra các khối lưới cực bền mà còn tạo ra chúng ở nhiều kích cỡ khác nhau - từ vài mét đến chỉ vài mm, mở rộng ứng dụng tiềm năng của chúng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
"So với hợp kim magiê đúc mạnh nhất hiện có - đang được sử dụng trong các ứng dụng thương mại đòi hỏi cường độ cao và trọng lượng nhẹ - siêu vật liệu titan của chúng tôi với mật độ tương đương đã được chứng minh là mạnh hơn nhiều hoặc ít bị thay đổi hình dạng vĩnh viễn dưới tải nén, chưa kể khả thi hơn nhiều để sản xuất” - Tác giả chính Jordan Noronha giải thích.
Theo các tác giả, vật liệu này còn có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt cực lớn, có thể chịu được nhiệt độ lên tới 350 độ C thậm chí 600 độ C, các nhà khoa học tin tưởng. Điều này sẽ làm cho nó trở thành một vật liệu tuyệt vời cho kỹ thuật hàng không vũ trụ, máy bay không người lái của lính cứu hỏa, và trong sản xuất ô tô.
Mặc dù việc khám phá ra siêu vật liệu cực kỳ mạnh mẽ này là bước đầu tiên rất quan trọng nhưng việc sản xuất một vật thể phức tạp như vậy ở quy mô lớn lại là một thách thức khác. Điều đó chủ yếu là bởi vì, không phải ai cũng có máy in tổng hợp bột laser (L-PBF).
Nhưng một khi họ làm được điều đó, những điều kỳ diệu của thiên nhiên sẽ một lần nữa nằm trong tầm tay của chúng ta.