Hợp kim mới không thể bị phá hủy đang thách thức giới hạn của kim loại

3 giờ trướcBài gốc

Làm thế nào để tạo ra một hợp kim “có tất cả”? Bí quyết nằm ở một đặc tính gọi là “kink band” – những dải “uốn khúc” hình thành tự nhiên trong vật liệu khi được nung và xử lý theo cách nhất định. Có một câu nói rằng đôi khi chính những khiếm khuyết lại tạo nên sức mạnh lớn nhất. Hóa ra điều đó cũng đúng với các hợp kim “ngoại lai”.

Nhiều kim loại ở dạng tinh khiết khá mềm – hoặc ít nhất là mềm hơn mức mong muốn đối với các ứng dụng như chế tạo máy hay thiết bị hạng nặng. Từ rất sớm, con người đã nhận ra rằng có thể kết hợp hai kim loại để tạo thành một hợp kim (như đồng thiếc) với kết quả là vật liệu cứng hơn, giữ cạnh sắc tốt hơn và bền bỉ hơn theo thời gian.

Vì sao hợp kim lại bền như vậy? Mỗi nguyên tố có khối lượng nguyên tử và kích thước hạt khác nhau. Hãy hình dung một kim loại tinh khiết như trò chơi Jenga. Khi bạn đẩy một khối (hoặc làm biến dạng kim loại), bạn biết chính xác khối đó sẽ dịch chuyển thế nào. Nhưng trong một hợp kim, “tháp Jenga” được tạo nên từ các khối có kích thước khác nhau, khiến việc “đẩy” chúng ra khỏi vị trí trở nên khó khăn hơn nhiều. Các đường sắp xếp gọn gàng – vốn dễ bị phá vỡ – cũng ít hơn.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cùng một số trường đại học ở bờ Tây nước Mỹ đã hợp tác phát triển một loại hợp kim chịu lửa mới. Thuật ngữ “chịu lửa” ở đây chỉ những hợp kim có khả năng chịu nhiệt cực cao. Chúng được tạo ra bằng cách kết hợp các kim loại thuộc chu kỳ thứ năm và thứ sáu của bảng tuần hoàn, bao gồm molypden, niobi, vonfram, tantal và rheni.

Những nguyên tố này có điểm nóng chảy cao bậc nhất trong bảng tuần hoàn đã biết. Chúng cũng sở hữu độ cứng rất lớn so với các kim loại tinh khiết khác – dù nếu xét trên toàn bộ thế giới vật liệu, kim cương vẫn vượt trội hơn hẳn. Điều đó đồng nghĩa rằng khi được hợp kim hóa theo một cách nhất định, các kim loại này (cùng một số nguyên tố có điểm nóng chảy cao khác như titan và iridi) có thể trở nên còn chịu nhiệt và chống mài mòn tốt hơn, hình thành nên họ hợp kim chịu lửa.

Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chỗ chính độ cứng và độ bền đó lại khiến các hợp kim chịu lửa rất khó gia công, với độ dẻo thấp và nguy cơ nứt gãy cao. Nói cách khác, nếu cố tạo hình một hợp kim chịu lửa, vật liệu có xu hướng gãy thay vì uốn cong. Thách thức đặt ra là phải tìm được điểm cân bằng, nơi một hợp kim rất cứng vẫn có thể chịu lực và biến dạng theo ý muốn thay vì bị phá vỡ.

Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học tại Berkeley Lab đã “thiết kế có chủ đích” một hợp kim gồm niobi, tantal, titan và hafni, đồng thời tạo ra các “kink band” trong cấu trúc kim loại. Bên trong một vật liệu rắn như hợp kim, “kink” và “jog” là những thuật ngữ chỉ các dạng khuyết tật ảnh hưởng đến cấu trúc. Chi tiết khoa học của chúng khá phức tạp, nhưng có thể hình dung tương tự như một đoạn cáp điện bị gấp khúc hoặc một con đường hơi lệch hướng.

Trong quá trình hình thành hợp kim, cấu trúc tinh thể dịch chuyển vừa đủ để tạo ra những “vết rạn” hay “đường nối” thể hiện sự thay đổi trong hướng sắp xếp tinh thể.

Trong cáp điện, một chỗ gấp khúc thường là dấu hiệu của hư hỏng hoặc mài mòn bất thường. Trong các tinh thể dùng làm đá quý, một “kink band” có thể phá hỏng hiệu ứng lấp lánh mong muốn do làm gián đoạn đường đi của ánh sáng. Nhưng với hợp kim này, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng chính các “kink band” lại xuất phát từ khả năng chịu sai lệch của các lệch mạng – tức khả năng biến dạng mà không bị gãy. Các hạt trong hợp kim có thể thích nghi với không gian nơi tinh thể đã dịch chuyển, và những “dải thích nghi” đó lại khiến vật liệu trở nên bền hơn.

“Công trình của chúng tôi cho thấy, trái với hiểu biết thông thường, các hợp kim chịu lửa có nồng độ phức hợp cao vẫn có thể sở hữu độ dai chống nứt vượt trội trên các dải nhiệt độ cực đoan, thậm chí cả trong điều kiện nhiệt độ siêu thấp”, các nhà khoa học kết luận. Bước tiếp theo sẽ là nghiên cứu sâu hơn, bởi đây mới chỉ là một công trình thăm dò ban đầu.

Tuy vậy, trong một thế giới đang chờ đợi những công nghệ mới như máy tính lượng tử hay năng lượng nhiệt hạch, lĩnh vực nhiệt độ siêu thấp – nơi vật liệu được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối – có vai trò then chốt. Vật liệu càng bền ở những điều kiện khắc nghiệt đó, khả năng hiện thực hóa các công nghệ tương lai càng lớn.

Theo PM

Huyền Chi

Nguồn VietTimes : https://viettimes.vn/hop-kim-moi-khong-the-bi-pha-huy-dang-thach-thuc-gioi-han-cua-kim-loai-post193165.html