Sáng chế làm rung chuyển ngành vật liệu: Kim loại chịu nhiệt -253 độ C không giòn gãy, mở cánh cửa tương lai hàng loạt lĩnh vực

Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature ngày 14/10, nhóm chuyên gia từ Đại học California tại Berkeley, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Mỹ) và Đại học Oxford (Anh) đã phát hiện khả năng chịu lạnh đặc biệt của một số hợp kim niobi-titan.

Thông thường, khi nhiệt độ giảm sâu, nhiều kim loại trở nên giòn và dễ nứt gãy. Nguyên nhân là các phần khuyết trong cấu trúc tinh thể, vốn cho phép kim loại biến dạng dưới tác động của ngoại lực, bị hạn chế chuyển động.

Hiện tượng này đặc biệt đáng chú ý ở những kim loại có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối như sắt, vonfram và crom.

Tuy nhiên, hợp kim niobi-titan được nghiên cứu vẫn duy trì khả năng chống hư hỏng đáng kể ở nhiệt độ 20 Kelvin, tương đương khoảng âm 253 độ C.

Giáo sư Dong Liu tại Đại học Oxford, tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết nhóm chuyên gia bất ngờ khi các hợp kim này vẫn bền trong điều kiện lạnh cực hạn.

Điểm đột phá nằm ở khả năng tự thay đổi cấu trúc tinh thể ở cấp độ nguyên tử.

Khi những phần khuyết sẵn có không thể di chuyển như bình thường, các vùng nhỏ bên trong kim loại tự sắp xếp lại thành cấu trúc đối xứng như hình ảnh phản chiếu trong gương. Hiện tượng này được gọi là song tinh ở kích thước nano.

Sự tương tác giữa các vùng song tinh và ranh giới tinh thể tạo ra những phần khuyết mới, giúp vật liệu tiếp tục biến dạng để giải phóng ứng suất, thay vì bị phá hủy đột ngột.

Để quan sát cơ chế này, nhóm nghiên cứu sử dụng khí heli làm lạnh mẫu kim loại xuống âm 253 độ C tại cơ sở nghiên cứu neutron và muon ISIS ở Oxfordshire, Anh.

Các mẫu vật được kéo giãn liên tục trong khi chiếu chùm neutron để theo dõi sự thay đổi cấu trúc. Nhóm nghiên cứu đồng thời sử dụng kính hiển vi điện tử tiên tiến và mô phỏng máy tính nhằm phân tích các biến đổi ở cấp độ nguyên tử.

Phát hiện này mở ra hướng tiếp cận mới trong khoa học vật liệu. Thay vì chỉ tìm cách duy trì chuyển động của các phần khuyết sẵn có, các nhà khoa học có thể thiết kế hợp kim có khả năng tạo ra phần khuyết mới khi chịu tác động của nhiệt độ cực thấp.

Theo nhóm nghiên cứu, cơ chế này có tiềm năng ứng dụng trong chế tạo bình chứa hydro lỏng, hệ thống vận chuyển nhiên liệu sạch, thiết bị thăm dò không gian sâu và lò phản ứng nhiệt hạch.

Tuy nhiên, đây vẫn là kết quả nghiên cứu trên các hợp kim thử nghiệm. Việc ứng dụng vào thiết bị thực tế sẽ cần thêm các bước đánh giá về độ bền lâu dài, khả năng chế tạo và hiệu quả kinh tế.

Theo IE