Phát hiện phương pháp tạo ra vàng nguyên chất vừa nhẹ vừa bền

Các nhà nghiên cứu tin rằng kỹ thuật đó có thể đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các vật liệu cần thiết cấp bách trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và điện tử tiêu dùng, nơi nhu cầu về vật liệu nhẹ nhưng có độ bền cao đang rất lớn.

Trong các phương pháp tạo hình kim loại thông thường như đúc, hàn và in 3D, các bọt khí được coi là lỗi vật liệu nghiêm trọng và kỹ sư phải hết sức cẩn thận để tránh chúng.

Bọt khí bên trong kim loại có thể dẫn đến mất độ bền. Bọt khí ở mối nối kim loại có thể làm giảm độ bền. Bọt khí bề mặt có thể làm giảm độ hoàn thiện của vật liệu.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Quốc gia Thẩm Dương thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) phát hiện rằng thay vì loại bỏ các lỗ rỗng này, "việc tinh chỉnh kích thước và điều chỉnh hình dạng cũng như sự phân bố của chúng không chỉ có thể giảm thiểu tác động có hại mà còn mang lại những lợi ích bổ sung".

Nghiên cứu do Jin Haijun của CAS dẫn đầu đăng trên tạp chí Science được bình duyệt. Được bình duyệt là thuật ngữ để chỉ việc bài báo hoặc nghiên cứu được đánh giá và chấp nhận công bố bởi cộng đồng chuyên gia trong lĩnh vực tương ứng.

“Điều này gợi ý một cách hấp dẫn để tinh chỉnh các đặc tính của chất rắn”, Brent Grocholski, biên tập viên cao cấp tại tạp chí Science, cho biết.

Các nhà khoa học Trung Quốc tin rằng kỹ thuật gia cố kim loại của họ có thể đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các vật liệu cần thiết cấp bách trong ngành công nghệ và hàng không vũ trụ - Ảnh: CCTV

Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tạo ra các lỗ nhỏ đồng đều bên trong vàng - Ảnh: CCTV

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vàng làm vật liệu mô hình và tạo ra vàng xốp có cấu trúc đồng nhất thông qua quy trình ăn mòn hợp kim. Bằng cách nén và sau đó ủ (hoặc nung nóng và làm nguội) kim loại, họ đã tạo ra một vật liệu mới chứa đầy các lỗ nano phân tán nhỏ hơn 100 nanomet.

Các thử nghiệm cho thấy rằng bằng cách thêm các lỗ nano ở tỷ lệ thể tích từ 5 đến 10%, độ bền của vàng tăng từ 50 đến 100%, nghĩa là nó có thể chịu được tải trọng cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo tốt. Ở một số mẫu, độ dẻo thậm chí còn vượt trội hơn so với vàng đặc hoàn toàn có cùng kích thước.

“Sự cải thiện này là do các lỗ nano phân tán giúp giảm bớt ứng suất và sự tập trung biến dạng xung quanh các lỗ rỗng, do đó ức chế sự khởi đầu của các vết nứt. Diện tích bề mặt riêng lớn của vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho các tương tác giữa bề mặt và vị trí sai lệch, giúp tăng cường độ bền và tỷ lệ cứng hóa ứng suất, điều này góp phần cải thiện độ dẻo”, Jin Haijun cho biết trong một báo cáo chính thức của CAS.

Ứng suất là khái niệm quan trọng trong vật lý và kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ học vật liệu. Nó mô tả tình trạng căng hoặc nén mà một vật liệu chịu khi tác dụng lên nó một lực. Nói một cách đơn giản, ứng suất là "lực bên trong" chống lại lực bên ngoài tác dụng lên vật liệu.

Hình dung đơn giản về ứng suất:

- Căng: Khi bạn kéo một sợi dây cao su, sợi dây bị kéo giãn ra. Lực kéo này tạo ra một ứng suất kéo bên trong sợi dây.

- Nén: Khi bạn đặt một cuốn sách lên bàn, bàn bị ép xuống. Lực ép này tạo ra một ứng suất nén bên trong bàn.

Kích thước và mật độ của các lỗ rỗng cũng quan trọng.

"Cho đến nay, kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng các lỗ rỗng có đường kính trong khoảng từ 10 đến 100 namomet có lợi cho việc tăng cường mà không ảnh hưởng đến độ dẻo. Việc tinh chỉnh thêm kích thước lỗ rỗng trung bình xuống dưới 10 nanomet có thể làm vật liệu cứng hơn nữa, nhưng sẽ làm giảm độ dẻo", Jin Haijun viết.

Theo truyền thống, việc tăng cường độ bền của vật liệu trong khi giảm trọng lượng đạt được bằng cách thêm các thành phần hợp kim nhẹ hơn, chẳng hạn nhôm trong thép nhẹ và lithium trong hợp kim nhôm.

Ngược lại, phương pháp trừ đi của nhóm nghiên cứu Trung Quốc đưa ra chiến lược thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí để cải thiện tính chất kim loại mà "không tăng thêm trọng lượng, không gây ô nhiễm". Các lỗ nano phân tán làm giảm mật độ của vàng nguyên chất hơn 10%, hỗ trợ vật liệu nhẹ và có khả năng tái chế.

Phương pháp này phần lớn bảo toàn các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu, chẳng hạn độ dẫn nhiệt và dẫn điện, cùng khả năng chống ăn mòn của nó.

“Ví dụ, vàng với lỗ nano có thể được sử dụng làm vật liệu kết nối hoặc tiếp xúc trong thiết bị điện tử. Chiến lược gia cố này cũng có thể được áp dụng cho các kim loại và hợp kim kỹ thuật khác, miễn là lỗ rỗng nano có thể được tích hợp hiệu quả vào vật liệu, với các ứng dụng tiềm năng trên nhiều lĩnh vực”, Jin Haijun cho biết.

Vàng xốp là một loại vàng đặc biệt, trong đó các nhà khoa học đã tạo ra các lỗ nhỏ li ti (lỗ nano) bên trong khối vàng nguyên chất. Điều này nghe có vẻ trái ngược với hình ảnh truyền thống về vàng rắn chắc, nhưng thực tế lại mang đến những tính chất hoàn toàn mới cho kim loại quý này.

Lý do tạo ra vàng xốp

- Tăng cường độ bền: Bằng cách tạo ra các lỗ nhỏ phân bố đều, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vàng trở nên cứng cáp hơn rất nhiều. Các lỗ nhỏ này giúp phân tán lực tác động, ngăn chặn sự hình thành các vết nứt và tăng cường khả năng chịu tải của vàng.

- Giảm trọng lượng: Dù vẫn giữ được độ bền cao, vàng xốp lại nhẹ hơn vàng nguyên chất do sự có mặt của các lỗ rỗng. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng cần vật liệu nhẹ nhưng bền chắc, như trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô.

- Tăng diện tích bề mặt: Số lượng lỗ nhỏ li ti làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của vàng, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học xảy ra hiệu quả hơn. Điều này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực xúc tác và cảm biến.

Quá trình tạo ra vàng xốp

Các nhà khoa học đã sử dụng một quá trình gọi là "khử hợp kim" để tạo ra vàng xốp. Quá trình này bao việc loại bỏ một số nguyên tố khác khỏi hợp kim vàng, để lại những lỗ rỗng nhỏ li ti bên trong. Sau đó, bằng cách nén và nung nóng, các lỗ rỗng này được sắp xếp một cách đồng đều và có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet.

Ứng dụng của vàng xốp

Ngành điện tử: Vàng xốp có thể được sử dụng làm vật liệu kết nối hoặc tiếp xúc trong các thiết bị điện tử, nhờ khả năng dẫn điện tốt và độ bền cao.

Ngành hàng không vũ trụ: Vàng xốp có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận nhẹ nhưng bền chắc cho tàu vũ trụ và máy bay.

Ngành y tế: Vàng xốp có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị y tế nhờ khả năng tương thích sinh học và tính trơ hóa học.

Ngành xúc tác: Vàng xốp với diện tích bề mặt lớn có thể được sử dụng làm chất xúc tác hiệu quả cho nhiều phản ứng hóa học.

Kết luận

Vàng xốp là phát minh khoa học đầy hứa hẹn, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong tương lai. Bằng cách điều chỉnh kích thước và phân bố của các lỗ rỗng, các nhà khoa học có thể tùy chỉnh tính chất của vàng xốp để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.