Phát minh ấn tượng: kim loại mới trong suốt, siêu cứng, siêu rẻ



Phát minh ấn tượng: kim loại mới trong suốt, siêu cứng, siêu rẻ

Quang Huy 18:15 9/1/2016

Nhân loại đang sống trong thời đại kim khí. Vì thế, không có gì ngạc nhiên khi ngày càng nhiều vật liệu kim loại mới được các nhà khoa học phát minh để thay thế cho các vật liệu kim loại truyền thống nhằm tạo ra bước đột phá cũng như cho ra đời những sản phẩm công nghệ mới với nhiều tính năng ưu việt.

Kim loại trong suốt, siêu rẻ cho màn hình smartphone
Hiện tại, màn hình smartphone được chế tạo từ oxit thiếc indi (Indium tin oxide - ITO). Trong khi đó, giá thành của ITO không rẻ, dao động trong khoảng 400-750 USD/kg, chiếm 40% giá trị của một chiếc smartphone thông thường.
 
Trước thực trạng này, các nhà khoa học đến từ Đại học Pennsylvania đã nghiên cứu thành công vật liệu mới với độ trong suốt cao, có khả năng dẫn điện tốt, nhưng giá thành rất rẻ, đủ sức thay thế ITO. Với tên gọi correlated metal (tạm dịch kim loại tương quan), vật liệu này có cấu trúc phân tử độc đáo. Thay vì các electron di chuyển tự do ở kim loại thông thường, cấu trúc đặc biệt của correlated metal điều chỉnh các electron di chuyển theo dòng chảy giống như chất lỏng. Thậm chí, các electron có thể được điều khiển tùy theo mục đích sử dụng.
 
 
Theo Kỹ sư trưởng Roman Engel-Herbert, nhóm nghiên cứu đã tạo ra correlated metal bằng cách thay đổi khối lượng hiệu dụng của các electron bên trong các kim loại thành phần. Để làm được điều này, nhóm nguyên cứu đã lựa chọn các kim loại mà những electron bên trong mạng lưới phân tử có tương tác điện từ tĩnh lớn hơn rất nhiều động năng của chúng. Điều đó đảm bảo các electron di chuyển như những dòng chảy do sự tương quan giữa các electron.
 
Với sự tư vấn của Giáo sư Karin Rabe - chuyên gia về lý thuyết vật liệu đến từ Đại học Rutgers, nhóm nghiên cứu đã tìm ra hai hợp kim phù hợp với yêu cầu là Stronti vanadat (SrVO3) và Canxi vanadat (CaVO3). Kết quả thử nghiệm cho thấy SrVO3 và CaVO3 có đủ khả năng thay thế ITO. Trong khi đó, giá thành Vanadi - kim loại thành phần quan trọng của hai hợp kim này - lại rất rẻ, chỉ khoảng 25 USD/kg, chưa đến 5% giá của ITO. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã đăng ký bằng bản quyền sáng chế cho phát hiện này. Trở ngại lớn nhất là đưa hai hợp kim này vào sản xuất trên quy mô công nghiệp.
 
Kim loại siêu cứng, siêu nhẹ mới cho tàu vũ trụ
Các nhà khoa học đến từ Đại học California - UCLA (Los Angeles, Hoa Kỳ) đã chế tạo thành công hợp kim mới siêu cứng và siêu nhẹ. Theo đó, tỷ lệ độ cứng trên khối lượng của hợp kim vượt xa hầu hết hợp kim đang được sử dụng hiện nay. Loại hợp kim này được cấu thành từ kim loại nền magie và các hạt nano silic cacbua lấp đầy những lỗ trống trong mạng lưới phân tử.
 
Các nhà khoa học đến từ Đại học California đã tìm ra vật liệu kim loại mới
 siêu cứng, siêu nhẹ cho tàu vũ trụ
 
Theo nhóm nghiên cứu, sự ra đời của hợp kim đặc biệt này chỉ là khởi đầu cho những phát minh đột phá khác về vật liệu mới, sau khi làm chủ kỹ thuật phân tán đều các hạt nano trong kim loại nóng chảy mà không biến đổi cấu trúc ban đầu của kim loại. Giáo sư Xiaochun Li - người đứng đầu nhóm nghiên cứu - cho biết: Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chứng minh các hạt nano có thể tăng cường độ bền của kim loại mà không làm giảm độ đàn hồi của chúng, nhất là với kim loại nhẹ như magie. Thông qua việc sử dụng nguyên lý pha tạp và kỹ thuật xử lý vật liệu, kết quả nghiên cứu đã mở ra phương pháp mới để nâng cao hiệu quả hoạt động của nhiều kim loại khác nhau, đáp ứng những thách thức về năng lượng và phát triển bền vững của thế giới trong những năm tới. Loại hợp kim mới cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền, độ cứng, độ đàn hồi và khả năng chịu nhiệt.
 
Hiện này, magie và kẽm là hai kim loại có nhiều trong tự nhiên, cho phép ứng dụng công nghệ trên quy mô lớn. Vì thế, các nhà khoa học kỳ vọng có thể nhanh chóng phát triển các ứng dụng công nghiệp của kim loại mới này. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng khẳng định đây chỉ là bước đi đầu tiên trong việc khai phá kho báu ẩn giấu thế hệ kim loại mới với những đột phá về tính chất vật lý và khả năng ứng dụng, nhất là với việc chế tạo tàu vũ trụ.
 
Chế tạo thành công dạng kim loại của Hydro
Các nhà vật lý đến từ Đại học Edinburgh (Scotland) đã tìm ra phương thức điều chế dạng kim loại của nguyên tử Hydro. Bằng cách nén các phân tử khí Hydro với áp suất cao gấp 3 triệu lần áp suất khí quyển của Trái Đất, các nhà khoa học đã đưa Hydro về trạng thái đặc biệt được biết đến với tên gọi Phase V, chưa từng được chứng minh sự tồn tại trước đó.
 
Lý thuyết về trạng thái đặc biệt này của Hydro xuất hiện năm 1935. Nhưng khi đó, các nhà khoa học không chứng minh được điều đó mà chỉ dự đoán "kim loại" này có khả năng dẫn điện cực tốt, tồn tại nhiều trên Sao Mộc và Sao Thổ. Giáo sư Eugene Gregoryanz - đứng đầu nhóm nghiên cứu - cũng cho biết: Lý thuyết về việc sử dụng áp suất cực lớn để nén Hydro về dạng kim loại từng xuất hiện cách đây 30 năm. Tiếc là hầu hết phương pháp thực hiện đều bị bác bỏ. Vì thế, việc nghiên cứu mới của các nhà vật lý đến từ Đại học Edinburgh chứng minh được điều này, cho dù điều kiện áp suất lớn hơn ước tính đã mở ra hướng mới cho việc nghiên cứu kim loại mới này.
 
 
Cụ thể: nhóm nghiên cứu đã nén các phân tử Hydro dạng khí với áp suất lên đến 380 GigaPascal lên cái đe làm từ kim cương (áp lực 1 GigaPascal tương đương 10 nghìn lần áp suất khí quyển của Trái Đất). Điều kiện thí nghiệm này đã hình thành liên kết hóa học giữa các phân tử Hydro, tạo thành dạng vật chất mới. Theo Giáo sư Eugene Gregoryanz, tại điều kiện áp suất như vậy, các phân tử khí đã tách ra thành nguyên tử đơn lẻ và các electron hoạt động như các electron trong mạng lưới nguyên tử kim loại thay vì như trạng thái khí. Trong điều kiện bình thường, các nguyên tử Hydro sẽ dính với nhau từng đôi do sử dụng chung cặp electron. Liên kết này xác định đặc tính của phân tử tạo thành sẽ là đặc tính của chất khí. Khi các nguyên tử này tách ra dưới áp lực cực lớn, chúng có xu hướng liên kết với nhau thành mạng lưới cố định. Đó là tính chất của các nguyên tử của nguyên tố kim loại.
 
Dù được đánh giá là có được thành công mang tính lịch sử, nhưng Giáo sư Eugene Gregoryanz cho rằng: mọi việc mới chỉ bắt đầu khi trạng thái mới của Hydro không bền. Trước đó, năm 2012, các nhà khoa học Đức đã tìm thấy dấu vết dạng kim loại của Hydro, nhưng thí nghiệm chứng minh đã thất bại.
 
 
Xem thêm:
 
 
 

Quang Huy

Từ Khóa :