Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Vật liệu gốm mới siêu nhẹ chịu được nhiệt độ khắc nghiệt (26/02/2019)

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California, Los Angeles (UCLA) và cộng tác viên thuộc tám tổ chức nghiên cứu khác đã tạo ra một aerogel gốm cực kỳ nhẹ và rất bền. Vật liệu này có thể được sử dụng cho các ứng dụng như cách điện cho tàu vũ trụ nhờ khả năng chịu nóng rất mạnh và những thay đổi nhiệt độ lớn trong những chuyến du hành vũ trụ.

Hình ảnh quang học cho thấy một mẫu aerogel gốm nằm trên nhị hoa. Ảnh: X. Xu & XU. Duan.

Từ thập niên 90, aerogel gốm đã được sử dụng để cách điện cho thiết bị công nghiệp và còn được dùng để cách điện cho thiết bị khoa học trong các chuyến du hành trên sao Hỏa của NASA. Nhưng phiên bản aerogel mới không chỉ bền hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao, mà còn có trọng lượng nhẹ hơn nhiều. Thành phần nguyên tử độc đáo và cấu trúc kính hiển vi cũng làm cho vật liệu này có khả năng đàn hồi khác lạ.

Khi nó được nung nóng, vật liệu co lại thay vì nở ra như các loại gốm khác. Ngoài ra, vật liệu còn co lại vuông góc với hướng mà nó bị nén, trái ngược với cách mà hầu hết các vật liệu phản ứng khi bị nén. Do đó, vật liệu này linh hoạt hơn và ít giòn hơn so với aerogel gốm hiện nay: Nó có thể được nén bằng 5% thể tích ban đầu và lại phồng lên toàn bộ, trong khi các aerogel khác hiện nay chỉ có thể được nén cỡ 20% thể tích ban đầu và sau đó, trở lại bình thường. 

Dù trên thực tế hơn 99% thể tích của aerogel là không khí, nhưng chúng lại rắn và có cấu trúc rất chắc chắn. Aerogel có thể được làm từ nhiều loại vật liệu, bao gồm gốm, cacbon hoặc oxit kim loại. So với các chất cách điện khác, aerogel từ gốm có ưu điểm vượt trội hơn trong việc ngăn chặn nhiệt độ khắc nghiệt và chúng có mật độ siêu thấp và có khả năng chống cháy và chống ăn mòn ở mức cao - tất cả các tính chất đó rất có ích cho tàu vũ trụ tái sử dụng.

Nhưng aerogel gốm hiện nay rất giòn và có xu hướng bị gãy sau khi tiếp xúc nhiều lần với nhiệt độ cực cao và sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Vật liệu mới được làm từ các lớp mỏng bo nitrit, một loại gốm với các nguyên tử được kết nối theo mô hình lục giác, giống như lưới thép mỏng.

Trong nghiên cứu, aerogel gốm đã chịu được các điều kiện khắc nghiệt thường làm gãy các aerogel khác và trải qua hàng trăm lần tiếp xúc với sự tăng vọt nhiệt độ đột ngột và cực đoan khi các kỹ sư tăng và giảm nhiệt độ trong một bình thí nghiệm có nhiệt độ dao động từ - 198 độ C và 900 độ C chỉ trong vài giây. Trong một thử nghiệm khác, vật liệu mất chưa đến 1% độ bền cơ học sau khi được lưu trữ một tuần trong điều kiện nhiệt độ 1.400 độ C.

Vật liệu gốm thông thường thường nở ra khi được nung nóng và co lại khi được làm mát. Theo thời gian, những thay đổi nhiệt độ lặp lại có thể khiến những vật liệu đó bị gãy và cuối cùng bị hỏng. Aerogel mới được thiết kế bền hơn bằng cách làm ngược lại - vật liệu co lại thay vì nở ra khi được làm nóng.

Ngoài ra, khả năng aerogel co lại vuông góc với hướng mà nó bị nén, giúp vật liệu chịu được những thay đổi nhiệt độ nhanh và lặp lại. Nó cũng có các "vách" bên trong được gia cố bằng cấu trúc 2 lớp kính, giúp giảm trọng lượng của vật liệu và lại tăng khả năng cách điện. Quy trình do các nhà nghiên cứu tạo ra để chế tạo aerogel cũng có thể được điều chỉnh để sản xuất các vật liệu siêu nhẹ khác.

Nguồn: N.P.D (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 19/2/2019