Những vật liệu khiến chúng ta tưởng như là phép thuật

1. Giọt thủy tinh – cứng hơn cả thép

Ảnh trên chính là giọt thủy tinh - thứ được tạo ra khá đơn giản bằng cách nung chảy thủy tinh, sau đó cho nhỏ thành từng giọt vào chậu nước.

Nhưng thế thì sao chứ? Thứ khiến vật liệu này trở nên đặc biệt đó là độ bền cực kỳ khủng khiếp ở phần đầu, có thể chịu được lực búa đập lên liên tục mà không hề bị vỡ. Theo đánh giá, độ bền của nó còn cứng hơn cả thép.

Tuy nhiên, chỉ cần dùng sức nhấn mạnh vào đuôi, hay phần nhỏ nhất, thì toàn bộ giọt thủy tinh sẽ nổ tung thành từng mảnh nhỏ.

Loại vật liệu kỳ lạ này được phát hiện lần đầu tiên vào thế kỷ 17 tại Hà Lan. Và cơ chế của nó được giải thích như sau: Khi thủy tinh nóng chảy chạm nước lạnh, bề mặt bên ngoài lập tức nguội đi và co lại thành thể rắn, nhưng trung tâm vẫn lỏng.

Đến lúc phần trung tâm nguội đi thì lớp vỏ ngoài đã cố định và không thể co lại theo, dẫn đến một ứng suất kéo mạnh hướng vào trong.

Ở thủy tinh thông thường, hiện tượng vỡ là do các vết nứt xuất hiện và lan rộng trên bề mặt. Nhưng với giọt thủy tinh, ứng suất hướng vào trong khiến các phân tử nén sát vào nhau, do đó các vết nứt không thể lan ra.

Nhưng cũng vì tích tụ một nguồn năng lượng lớn nên nếu bất kì điểm nào bị phá vỡ, toàn bộ cấu trúc sẽ nổ theo dây chuyền. Trong đó, khu vực đuôi giọt sẽ là nơi yếu nhất, dễ vỡ nhất.

Giọt thủy tinh là tiền thân cho việc chế tạo những loại kính cường lực hay chắn gió trên xe hơi ngày nay. Ưu điểm của những loại kính này là rất khó vỡ, và lúc vỡ thì thành các hạt nhỏ, ít nguy hiểm cho người sử dụng.

2. Vantablack – màu đen tuyệt đối

Năm 2014, các nhà khoa học Anh đã chế tạo thành công vật liệu có màu đen nhất mà con người từng biết, với tên gọi Vantablack (Vanta: viết tắt của Vertically Aligned NanoTube Array – mảng ống nano xếp thẳng đứng).

Do cấu tạo từ một "rừng" ống nano carbon dựng đứng cạnh nhau, ánh sáng chiếu vào vantablack không phản xạ lại mà bị hấp thụ, đồng thời di chuyển xung quanh các ống. Sau cùng, ánh sáng sẽ chuyển hóa hết nhiệt năng.

Vantablack có thể hấp thụ tới 99,965% ánh sáng nhìn thấy được, vật liệu này đen đến mức bạn không hình dung mức độ đen của nó thông qua bất kì màn hình TV nào mà chỉ có thể từ việc quan sát trực tiếp.

Có nhiều ứng dụng tiềm năng cho vật liệu, như sử dụng để ngăn ánh sáng nhiễu trong kính viễn vọng, cải thiện hiệu suất máy ảnh hồng ngoại.

Ngoài ra, vantablack còn có độ cứng gấp 10 lần thép cùng khả năng hấp thu nhiệt thuộc hàng tốt nhất thế giới, có thể ứng dụng cho điện Mặt trời hoặc ngụy trang nhiệt trong quân sự.

3. Kim loại siêu kị nước

Siêu kị nước là đặc tính của một số vật liệu khiến nước không thể bám vào và dễ dàng trôi khỏi bề mặt. Một vật liệu siêu kị nước điển hình chính là lá sen.

Đa số vật liệu siêu kị nước hiện nay chủ yếu ở dạng lớp sơn phủ bên ngoài vật liệu để chống thấm. Tuy vậy, nhược điểm của sơn là có xu hướng bong tróc nhanh chóng sau khi sử dụng.

Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu của ĐH Roschester (Mỹ) đã nghĩ ra một phương pháp: dùng laser khắc lên bề mặt các tấm kim loại khác nhau theo cấu trúc mô phỏng theo lá sen. Cuối cùng, họ tạo ra những bề mặt kị nước hoàn hảo, không bị bong tróc và bền hơn hẳn các vật liệu khác.

Ý tưởng ở đây là do cấu trúc bề mặt quan trọng hơn vật liệu. Vì thế, giá thành của loại vật liệu này có thể sẽ rất rẻ, do chỉ sử dụng nguyên liệu từ đồng, kẽm, nhôm...

Hơn nữa, tiềm năng sử dụng phương pháp này còn rất lớn. Trong tương lai chúng ta có thể tạo ra các dụng cụ nhà bếp chống dính tốt hơn, kính chắn gió tự làm sạch, hay bồn cầu tiết kiệm nước do chất thải không dính vào thành cầu.

4. Gel siêu siêu mỏng, siêu siêu dai

Hydrogel là loại gel có thành phần nước chiếm tới 90%, còn lại là các hợp chất cao su tạo độ co dãn.

Phần lớn loại hydrogel khá mềm yếu dễ vỡ, tính dẻo tương tự như mô của con người nên chủ yếu được dùng làm giá thể trong kĩ thuật nuôi cấy mô.

Tuy nhiên, Zhigang Suo, kĩ sư vật liệu tại ĐH Harvard, cùng các cộng sự của mình đã tạo nên một hỗn hợp hydrogel cực dai vào năm 2012.

Như bạn thấy trong hình, một miếng hydrogel mỏng manh nhưng có thể chịu được lực của quả cầu kim loại rơi xuống và bật lại mà không hề rách.

Vật liệu này là sự kết hợp giữa hai loại polymer gồm alginate và polyacrylamide. Phân tử alginate tạo liên kết ion yếu, còn phân tử polyacrylamide tạo liên kết cộng hóa trị mạnh hơn.

Khi gel bị kéo dãn, đập hoặc xé, liên kết ion dễ dàng tách ra và tái liên kết lại trên toàn bộ vật liệu, giúp cho lực được phân tán đều (tính dẻo). Còn liên kết cộng hóa trị sẽ giữ các phần lại với nhau để vật liệu có thể hồi phục lại hình dạng ban đầu (tính đàn hồi).

Loại hydrogel mới dai đến mức chịu được việc kéo giãn gấp 20 lần chiều dài ban đầu mà vẫn không rách, và rất khó để một người có thể xé được bằng tay.

Tương lai màng hydrogel có thể dùng sản xuất da nhân tạo, lớp cách âm, hay màn hình smartphone dẻo.

(Theo khoahoc.tv)