Các nhà khoa học đã phát hiện ra cách làm cho gốm sứ bền hơn và có khả năng chống nứt tốt hơn. Một nhóm các nhà nghiên cứu do các kỹ sư của UC San Diego dẫn đầu đã phát hiện ra tiềm năng gốm sứ có thể chịu được độ bền và ứng suất cao hơn bao giờ hết bằng cách trộn các nguyên tử kim loại với nhiều electron lớp ngoài hơn trong những vật liệu này.
Gốm sứ mang lại nhiều lợi thế nhờ các đặc tính đặc biệt của chúng, bao gồm khả năng chịu được nhiệt độ cực cao, chống ăn mòn và mài mòn bề mặt cũng như duy trì kiểu dáng nhẹ. Những đặc tính này làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau như lớp phủ bảo vệ trên các bộ phận, động cơ hàng không vũ trụ và dụng cụ cắt. Tuy nhiên, sự dễ vỡ luôn là điểm yếu của họ. Họ có thể dễ dàng phá vỡ khi bị căng thẳng.
Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp có thể làm cho gốm sứ có khả năng chống nứt tốt hơn. Gần đây họ đã công bố kết quả của mình trên tạp chí Science Advances.
Nghiên cứu do Kenneth Vecchio, giáo sư kỹ thuật nano tại UC San Diego dẫn đầu, tập trung vào một loại gốm gọi là cacbua entropy cao. Những vật liệu này có cấu trúc nguyên tử rất rối loạn được tạo thành từ các nguyên tử carbon kết hợp với nhiều nguyên tố kim loại khác nhau từ cột bốn, năm và sáu của bảng tuần hoàn. Những kim loại này bao gồm titan, niobi và vonfram. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chìa khóa để làm cho gốm bền hơn là sử dụng kim loại từ cột thứ năm và thứ sáu của bảng tuần hoàn vì chúng có số electron hóa trị cao hơn.
Electron hóa trị - các electron nằm ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử và được liên kết với các nguyên tử khác - được chứng minh là yếu tố then chốt. Bằng cách sử dụng kim loại có số electron hóa trị cao hơn, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc cải thiện khả năng chống nứt của vật liệu khi chịu tải trọng và ứng suất cơ học.
Vecchio cho biết: "Lý do tại sao những electron bổ sung này lại quan trọng là vì chúng làm tăng hiệu quả độ dẻo của vật liệu gốm, điều đó có nghĩa là vật liệu gốm có thể trải qua nhiều biến dạng hơn, tương tự như kim loại." nồng độ electron hóa trị dưới ứng suất tác dụng. Nguồn: Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs
Để hiểu rõ hơn về hiệu ứng này, nhóm nghiên cứu của Vecchio đã hợp tác với Davide Sangiovanni, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Linköping ở Thụy Điển. Sangiovanni thực hiện các mô phỏng tính toán, trong khi nhóm của Vecchio thực hiện chế tạo thử nghiệm và thử nghiệm vật liệu.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các cacbua có entropy cao với sự kết hợp khác nhau của năm nguyên tố kim loại. Mỗi sự kết hợp tạo ra nồng độ electron hóa trị khác nhau trong vật liệu và họ đã tìm thấy hai cacbua có entropy cao cho thấy khả năng chống nứt tuyệt vời dưới tải trọng hoặc ứng suất do nồng độ electron hóa trị cao hơn. Một bao gồm các kim loại vanadi, niobium, tantalum, molypden và vonfram. Một vật liệu khác sử dụng crom thay vì niobi.
Dưới tải trọng hoặc ứng suất cơ học, các vật liệu này có thể biến dạng hoặc giãn ra tương ứng, tương tự như hoạt động của kim loại, thay vì phản ứng giòn thông thường của gốm sứ. Khi những vật liệu này bị đâm thủng hoặc bị kéo ra, các liên kết bắt đầu bị đứt, tạo ra những lỗ hở có kích thước nguyên tử. Sau đó, các electron hóa trị bổ sung xung quanh các nguyên tử kim loại sẽ được tổ chức lại, bắc cầu cho các lỗ này và hình thành các liên kết mới giữa các nguyên tử kim loại liền kề. Cơ chế này bảo tồn cấu trúc vật liệu xung quanh lỗ mở, ngăn chặn hiệu quả lỗ mở ngày càng lớn hơn và hình thành các vết nứt.
Đồng tác giả nghiên cứu Kevin Kaufmann, nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật nano tại UC San Diego, cho biết: “Những gì chúng tôi phát hiện là có một quá trình chuyển đổi cơ bản xảy ra ở cấp độ nano, nơi các liên kết sắp xếp lại để giữ vật liệu lại với nhau”. "Thay vì trực tiếp tách bề mặt đứt gãy, vật liệu sẽ từ từ đứt ra như một sợi dây khi bị kéo. Bằng cách này, vật liệu có thể thích ứng với sự biến dạng đang diễn ra này mà không bị đứt gãy theo kiểu giòn."
Thách thức hiện nay là mở rộng quy mô sản xuất những loại gốm bền này cho các ứng dụng thương mại. Điều này sẽ giúp chuyển đổi các công nghệ dựa trên vật liệu gốm hiệu suất cao, từ các bộ phận hàng không vũ trụ đến cấy ghép y sinh.
Độ dẻo dai mới được phát hiện của những loại gốm sứ này cũng mở đường cho việc sử dụng chúng trong các ứng dụng cực kỳ khắc nghiệt, chẳng hạn như các cạnh đầu của phương tiện siêu thanh. Vecchio giải thích rằng gốm cứng hơn có thể đóng vai trò phòng thủ phía trước cho những phương tiện này, bảo vệ các bộ phận quan trọng khỏi các mảnh vụn và cho phép phương tiện sống sót tốt hơn trong chuyến bay siêu thanh.
Vecchio cho biết: "Bằng cách giải quyết những hạn chế tồn tại lâu dài của gốm sứ, chúng tôi có thể mở rộng đáng kể việc sử dụng gốm sứ và tạo ra các vật liệu thế hệ tiếp theo có tiềm năng cách mạng hóa xã hội của chúng ta."