Đại học Pennsylvania tạo ra vật liệu mỏng hơn tờ giấy 1000 lần mà siêu bền

Các nhà nghiên cứu tại đại học Pennsylvania đã vừa tạo ra một loại vật liệu siêu mỏng, siêu nhẹ và siêu bền. Đây là một tấm vật liệu tỉ lệ nano, mỏng hơn 1000 lần so với tờ giấy nhưng có thể duy trì hình dạng ban đầu sau khi bị uốn cong, vặn xoắn bởi ngoại lực.

Chế tạo được vật liệu mới mỏng hơn giấy 1000 lần

Một vật liệu có đặc tính tương tự mà chúng ta đều đã biết đến là graphene. Nó có độ mỏng chỉ bằng một phân tử, độ cứng đáng kinh ngạc và khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt. Tuy nhiên, graphene không có hình dạng nguyên thủy và loại vật liệu 2 chiều như graphene cần phải được kết hợp với một thành phần hỗ trợ ngoại vi chẳng hạn một tấm nền hay một bộ khung để ngăn graphene tự vặn xoắn khiến nó không thể dùng được. Và dĩ nhiên khi đã thêm các thành phần gia cố này thì graphene sẽ nặng hơn, làm mất đi tính chất siêu nhẹ của nó.

Do đó, các nhà nghiên cứu tại đại học Pennsylvania đã phát triển một vật liệu có thể duy trì hình dạng nguyên thủy của nó sau khi bị làm cong hay bóp méo bằng bàn tay mà không cần đến các kết cấu hỗ trợ. Hướng tiếp cận của họ là thiết kế tấm nền vật liệu với hình dạng gợn sóng với các lỗ rỗng giống tổ ong để tạo nên cấu trúc 3 chiều cho vật liệu ở tỉ lệ nano.

Đây là một tấm vật liệu tỉ lệ nano, mỏng hơn 1000 lần so với tờ giấy.

Tấm nền này được làm bằng nhôm ô-xít lắng đọng với chỉ 1 lớp đơn nguyên tử khiến vật liệu này đạt được độ mỏng từ 25 đến 100nm nhưng có độ bộ cực cao. Igor Bargatin - lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết: "Nhôm oxit trên thực tế là một loại gốm - một thứ về bản chất rất dễ gãy vỡ. Tuy nhiên khi được lắng đọng trên tấm nền cấu trúc đặc biệt, vật liệu có thể trở về trạng thái ban đầu sau khi bị uốn cong, vặn xoắn, méo mó tương tự như một tấm nhựa".

Vật liệu mới tiềm năng có thể giải quyết một loạt những hạn chế trong việc sử dụng các loại vật liệu dạng tấm mỏng, phẳng, ít bền, thường có xu hướng biến dạng và bám dính vào các bề mặt rất khó để gỡ bỏ. Ngoài ra, những vật liệu thông thường cũng dễ bị xé toạc hay các vết nứt xuất hiện dọc theo vật liệu. Cấu trúc tổ ong trên vật liệu mới đảm bảo rằng nếu một vết nứt xuất hiện trên tấm nền nhôm oxit, nó chỉ bị giới hạn trong một vùng nhỏ bởi các vách ngăn dọc.

Với phát minh nói trên, nhóm nghiên cứu tại Pennsylvania đã giúp giải quyết các vấn đề về kỹ thuật cấu trúc tại những lĩnh vực nơi trọng lượng là chìa khóa của mọi thứ, chẳng hạn như ngành hàng không. Một ví dụ cụ thể là vật liệu có thể dùng chế tạo đôi cánh cho những con robot bay mô phỏng côn trùng.

Bargatin nói: "Cánh của côn trùng chỉ mỏng vài micron và không thể mỏng hơn được nữa bởi chúng được tạo ra bằng tế bào. Vật liệu làm cánh mỏng nhất được con người tạo ra theo tôi biết là Mylar - chế tạo bằng cách lắng đọng một tấm phim Mylar lên một khung sườn với độ dày khoảng 1/2 micron. Tấm nền của chúng tôi mỏng hơn 10 lần và không cần khung sườn. Kết quả là trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn 1/10 g trên mỗi m²".