Phát triển thành công cấu trúc nano cứng hơn kim cương

Các chuyên gia Mỹ phát triển vật liệu carbon dựa trên cấu trúc nano dạng tấm vững chắc hơn cả kim cương về tỷ lệ cường độ trên mật độ.

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Jens Bauer từ Đại học California, Irvine (UCI) của Mỹ dẫn đầu, đã thành công trong việc khái niệm hóa và chế tạo vật liệu carbon cấu trúc nano mới, bao gồm các tấm tế bào kín liên kết chặt chẽ với nhau thay vì các chùm hình trụ được sử dụng phổ biến trong vài thập kỷ qua.

"Các thiết kế dựa trên chùm hình trụ trước đây rất được quan tâm nhưng không đạt hiệu quả về tính chất cơ học. Các nanolattice (mạng tinh thể nano) dạng tấm mới mà chúng tôi tạo ra chắc chắn và cứng hơn đáng kể so với các nanolattice dạng chùm tốt nhất", Bauer cho biết.

Theo báo cáo trên tạp chí Nature Communication, thiết kế mới được chứng minh là đã đạt đến giới hạn lý thuyết về hiệu suất, khi giúp cải thiện tới 639% độ bền và 522% độ cứng so với cấu trúc dạng chùm hình trụ.

Vật liệu carbon dựa trên cấu trúc nano dạng tấm cho độ bền và độ cứng vượt trội. (Ảnh: Phys).

Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu Lorenzo Valdevit, cùng các thành viên trong phòng thí nghiệm vật liệu kiến trúc của UCI, đã xác minh phát hiện của nhóm nghiên cứu bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét và các công nghệ tiên tiến khác do Viện nghiên cứu vật liệu Irvine cung cấp.

"Các nhà khoa học từ lâu đã dự đoán rằng các hạt nano được sắp xếp dưới dạng tấm sẽ cực kỳ mạnh mẽ, nhưng họ gặp khó khăn trong việc sản xuất các cấu trúc theo cách này. Điều đó có nghĩa là lý thuyết chưa bao giờ được chứng minh cho đến khi chúng tôi khái niệm hóa và chế tạo thành công nó", kỹ sư Cameron Crook từ UCI, một thành viên trong nhóm nghiên cứu nhấn mạnh.

Thành công của nghiên cứu dựa trên một quy trình in 3D phức tạp, được gọi là in laser trực tiếp trùng hợp hai photon. Các nhà khoa học đã chiếu tia laser tập trung vào một giọt nhựa cây lỏng cực nhạy với tia cực tím, để biến nó thành một loại polymer rắn, nơi các phân tử bị tấn công đồng thời bởi hai photon. Bằng cách quét laser theo ba chiều, kỹ thuật này có thể lắp ráp các tế bào theo chu kỳ, với mỗi chu kỳ bao gồm các tấm mỏng 160 nanomet.

Theo Bauer, mỗi tấm bao gồm nhiều lỗ nhỏ cho phép loại bỏ nhựa thừa ra khỏi vật liệu hoàn thiện. Vật liệu sau đó trải qua quá trình nhiệt phân, nơi nó bị nung nóng đến 900 độ C trong môi trường chân không suốt một giờ. Kết quả cuối cùng là một mạng lưới carbon hình lập phương, với độ vững chắc cao nhất mà các nhà khoa học nghĩ là có thể đạt được đối với một vật liệu xốp như vậy.

Cấu trúc nano carbon dạng tấm được đánh giá có tiềm năng ứng dụng lớn, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ. Sự kết hợp giữa độ cứng, độ bền và mật độ khối lượng thấp của vật liệu cho phép tăng cường đáng kể hiệu suất của máy bay và tàu vũ trụ.

Cập nhật: 15/04/2020 Theo VnExpress