Phát hiện cấu trúc nano carbon cứng hơn cả kim cương

Trong một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học báo cáo đã thành công trong việc chế tạo vật liệu, bao gồm các tấm tế bào kín được kết nối chặt chẽ.

Hình ảnh mô phỏng cấu trúc nanolattice dạng tấm kín.

“Các thiết kế dựa trên chùm hình trụ trước đây không hiệu quả về mặt tính chất cơ học. Lớp nanolattice tấm mới mà chúng tôi đã tạo ra mạnh hơn và cứng hơn đáng kể so với các nanolattice dạng chùm tốt nhất”, Jens Bauer, nhà nghiên cứu của UCI về Kỹ thuật cơ khí & Hàng không vũ trụ cho biết.

Theo báo cáo thiết kế của nhóm đã được chứng minh là cải thiện hiệu suất lên đến 639% về độ bền và 522% về độ cứng.

Các thành viên của phòng thí nghiệm vật liệu kiến trúc của Lorenzo Valdevit, giáo sư Khoa học & Kỹ thuật vật liệu UCI cũng như Kỹ thuật cơ khí & Hàng không vũ trụ, đã xác minh phát hiện của họ bằng kính hiển vi điện tử quét và các công nghệ khác do Viện nghiên cứu vật liệu Irvine cung cấp.

Cameron Crook, một nhà nghiên cứu của UCI cho biết: “Các nhà khoa học đã dự đoán rằng các hạt nano được sắp xếp trong một thiết kế dựa trên tấm sẽ cực kỳ mạnh mẽ. Nhưng khó khăn trong việc sản xuất các cấu trúc theo cách này có nghĩa là lý thuyết này chưa bao giờ được chứng minh cho đến khi chúng tôi thành công trong việc thực hiện nó”.

Bauer cho biết thành tích của nhóm dựa trên quy trình in laser 3 chiều phức tạp được gọi là in laser trực tiếp trùng hai photon. Vì một loại nhựa nhạy cảm với tia cực tím được thêm từng lớp, vật liệu này trở thành một loại polymer rắn tại các điểm mà hai photon sẽ giao nhau. Kỹ thuật này có thể khiến các tế bào lặp lại trở thành các tấm có khuôn mỏng tới 160 nanomet.

Một trong những điểm đặc biệt là các lỗ nhỏ trong các tấm có thể được sử dụng để loại bỏ nhựa thừa ra khỏi vật liệu hoàn thiện. Bước cuối cùng, các mạng trải qua quá trình nhiệt phân, trong đó chúng được nung nóng đến 900 độ C trong chân không trong một giờ.

Theo Bauer, kết quả cuối cùng là một mạng lưới carbon hình khối lập phương có sức mạnh cao nhất mà các nhà khoa học từng nghĩ là có thể đối với một vật liệu như vậy.

“Khi bạn lấy bất kỳ mảnh vật liệu nào và giảm đáng kể kích thước của nó xuống 100 nanomet, nó tiếp cận một tinh thể không có lỗ hổng hoặc vết nứt. Giảm các lỗ hổng này làm tăng sức mạnh tổng thể của hệ thống”, Bauer nói.

Trong khi đó, Valdevit, người chỉ đạo Viện Thiết kế và Sản xuất Đổi mới của UCI nói thêm: “Không ai từng làm cho các cấu trúc này độc lập với quy mô trước đây. Chúng tôi là nhóm đầu tiên xác thực bằng thực nghiệm rằng họ có thể thực hiện tốt như dự đoán trong khi cũng chứng minh một vật liệu kiến trúc có độ bền cơ học chưa từng có”.

Cấu trúc nanolattice dạng tấm kín hứa hẹn rất nhiều cơ hội ứng dụng thực tế cho các kỹ sư kết cấu, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ với hy vọng rằng sự kết hợp giữa sức mạnh và mật độ khối lượng thấp của chúng sẽ giúp tăng cường đáng kể hiệu suất của máy bay và tàu vũ trụ.

Trang Phạm