Thủy tinh siêu nhẹ cứng như thép

Tạp chí HĐKH - 03/07/2009 00:00

Thuy tinh sieu nhe cung nhu thep

Một loại thủy tinh mới, được làm từ titan mờ đục và zirconi thay cho silicon trong suốt, có đặc điểm cứng, bền và nhẹ hơn thép không gỉ. Các nhà khoa học California đã phát triển và thử nghiệm loại thủy tinh đục này và hy vọng một ngày nào đó có thể thay thế thép và nhôm trong nhiều sản phẩm, từ gậy chơi gôn cho đến máy bay.

Maximilien Launey, từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cho biết, hầu hết các loại thủy tinh đều có khả năng chịu mỏi (cường độ chịu mỏi) giống như ở kim loại kém, nghĩa là chúng rất dễ vỡ. Những gì nhóm nghiên cứu thực hiện là đưa ra phương pháp có thể cải thiện khả năng này bằng cách đưa hệ số mỏi lên 10. Đây chính là hợp kim bền giống như thép.

Tất cả các loại thủy tinh, gồm kính cửa sổ, thủy tinh kim loại mờ đục đều không có cấu trúc tinh thể thống nhất. Thay vào đó, các nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên, một khu vực có thể có nhiều nguyên tử nhưng nơi khác lại có ít nguyên tử. Các nhóm nguyên tử này khớp với nhau, tạo ra một bề mặt cứng, rắn nhưng cũng mỏng manh, một vết nứt nhỏ cũng có thể mở rộng và phá vỡ toàn bộ cấu trúc.

Tóm lại, với cấu trúc tinh thể thống nhất, cho phép các nhóm nguyên tử có thể trượt qua nhau với mức độ tương đối, ngăn ngừa các vết nứt từ quá trình tạo hình và giãn nở. Sự khác biệt giữa các vật liệu có hoặc không có cấu trúc tinh thể cũng giống như sự khác biệt giữa các quân bài và các tấm thảm. Các quân bài sẽ dễ dàng trượt qua nhau hơn là các tấm thảm, kết cấu gồ ghề của thảm khiến chúng dễ gắn kết với nhau, do vậy khó tách và trượt qua nhau.

Để tạo ra thủy tinh kim loại bền này, trước tiên, các nhà khoa học nung hợp kim gồm một nửa là titan và một nửa là zirconi ở nhiệt độ 8000C cho đến khi tan chảy. Kim loại lỏng này được làm nguội dần trong khoảng 1-2 phút, sau đó làm nguội nhanh.

Bằng cách làm nguội chậm và nhanh, các nhà khoa học đã làm cho các cấu trúc tinh thể giống như cây thông Noel phát triển trên nền kim loại. Quá trình làm nguội nhanh phần kim loại còn lại duy trì cấu trúc nguyên tử của thủy tinh. Các cấu trúc tinh thể ngăn ngừa bất kỳ vết nứt nào phát triển rộng hơn 2-5 µm. Thủy tinh tạo độ cứng cho vật liệu, trong khí các cấu trúc giống như cây thông Noel lại tạo nên độ bền và dai. Thử nghiệm tiếp theo về ứng suất đối với các mảnh kính 1-10 cm, kết quả cho thấy chúng bền hơn bất kỳ thủy tinh kim loại nào trước đây. Hệ số chịu mỏi càng lớn, vật liệu càng ít bị nứt và cứng hơn thép.

Ưu điểm chính của loại thủy tinh mới là có khả năng tạo hình. Chỉ cần đổ vào khuôn và làm lạnh chúng, là có được những đặc tính có thể so sánh với thép cường độ cao. Do hợp kim làm từ titan và zirconi thay vì thép nên trọng lượng giảm đáng kể. Ngoài ra, nhờ có thể nung chảy chúng ở nhiệt độ thấp hơn so với thép nên quá trình sản xuất cũng dề dàng và nhanh hơn. Thủy tinh kim loại có thể dùng để chế tạo máy bay, nhưng vấn đề thường trực vẫn là chi phí sản xuất vật liệu này hiện còn quá cao.

(Nacesti)

Tin mới