Trung Quốc phát triển vật liệu tungsten bền nhất thế giới

Nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc tại Hợp Phì, tỉnh An Huy, cho biết họ đã phát triển vật liệu tungsten bền nhất có thể dùng trong lò nhiệt hạch.

Công nghệ sản xuất mới sẽ cho phép sử dụng tungsten trong những ứng dụng với yêu cầu cao nhất. Tungsten là một trong những nguyên tố tự nhiên nặng và cứng nhất với điểm nóng chảy cao nhất trong tất cả kim loại (3.410 độ C). Vật liệu này có thể cải thiện hiệu suất của thiết bị dùng trong môi trường cực hạn nhưng lại rất giòn. Một bộ phận sản xuất hoàn toàn từ bột tungsten thường bị nứt hoặc vỡ dễ dàng nếu kéo căng hoặc chịu áp lực lớn. Trong phần lớn ứng dụng thực tế, các nhà khoa học vật liệu phải kết hợp thêm nguyên tố như kền, đồng hoặc sắt để tăng độ dẻo của sản phẩm.

Các công ty Trung Quốc sản xuất 70.000 tấn tungsten vào năm 2019. (Ảnh: Reuters)

Trong bài báo công bố hồi tháng 2 trên tạp chí Acta Materialia, nhóm nghiên cứu đứng đầu là giáo sư Wu Xuebang ở Viện Vật lý trạng thái rắn tại Hợp Phì chia sẻ, họ đã sản xuất một khối tungsten nguyên chất lớn với độ bền kéo lên tới 1,35 gigapascal ở nhiệt độ phòng, cao hơn phần lớn hợp kim tungsten hiện nay. Các nhà nghiên cứu tiết lộ dự án của họ được tài trợ bởi chương trình phản ứng nhiệt hạch của chính phủ. Tungsten càng nguyên chất, nguy cơ đối với sản xuất năng lượng nhiệt hạch càng thấp, theo giáo sư Fang Qianfeng, thành viên nhóm nghiên cứu.

Lò phản ứng của Trung Quốc hay còn gọi là Mặt Trời nhân tạo, có tiềm năng sản xuất năng lượng sạch gần như vô hạn thông qua phản ứng nhiệt hạch tương tự quá trình xảy ra ở lõi Mặt Trời. Công tác xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch có thể hoàn thành vào đầu thập niên 2030. Để sản xuất năng lượng, lò phản ứng sẽ cần đốt nóng khí hydro tới 150 triệu độ C, gấp 10 lần độ nóng của lõi Mặt Trời.

Khí nóng sẽ được giữ bởi từ trường cực mạnh, nhưng thành trong của lò phản ứng sẽ vẫn tiếp xúc với nhiệt độ cao, áp lực và bức xạ. Đó là môi trường cực hạn mà phần lớn vật liệu hiện nay không thể chịu được. Thành lò xây bằng gạch tungsten có thể giải quyết thách thức này và duy trì hoạt động của nhà máy nhiệt hạt nhân trong nhiều năm, thậm chí nhiều thập kỷ. Suốt thời gian dài, các nhà khoa học tìm cách loại bỏ những tạp chất khác trong tungsten bởi tạp chất có thể gây rối loạn ngoài dự đoán đối với phản ứng nhiệt hạch.

Wu và cộng sự cho biết công nghệ của họ cũng có nhiều ứng dụng quân sự. Ví dụ, đầu đạn chế tạo từ vật liệu tungsten mới có thể xuyên thủng áo giáp hoặc bê tông hiệu quả hơn do có độ bền và mật độ lớn hơn. Trung Quốc có mỏ tungsten lớn nhất thế giới. Các công ty Trung Quốc sản xuất khoảng 70.000 tấn tungsten vào năm 2019, chiếm hơn 80% sản lượng của thế giới. Theo dữ liệu của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ. Nhóm nghiên cứu ở Hợp Phì chia sẻ công nghệ vật liệu mới tương đối đơn giản, có thể dễ dàng tăng cường quy mô để sản xuất hàng loạt.

Tungsten không thể xử lý bằng phương pháp đúc do phần lớn lò công nghiệp vận hành dưới 1.800 độ C, thấp hơn nhiều nhiệt độ nóng chảy của kim loại này. Thay vào đó, công nhân sẽ đổ bột tungsten mịn vào khuôn và nung nóng tới hơn 2.200 độ C cho tới khi bột kết dính ở dạng tinh thể. Tuy nhiên, Wu và cộng sự giảm nhiệt độ xuống hơn 1/5, sau đó rèn tungsten bằng búa nóng cực khỏe. Phương pháp xử lý độc đáo này tạo ra cấu trúc tinh thể xếp chồng theo lớp chưa từng thấy trước đây, có thể hấp thụ năng lượng va chạm khiến vật liệu bền nhưng vẫn mềm dẻo.

Cập nhật: 07/03/2022 Theo VnExpress