Sử dụng “trí nhớ” của vật liệu để giải mã các đặc tính vật lý độc đáo

“Directed aging, memory, and nature's greed”, nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí "Science Advances" đã chỉ ra các loại vật liệu có “trí nhớ” về cách chúng được chế tạo, lưu trữ và điều khiển như thế nào.

Các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ quá trình lão hóa tự nhiên của vật liệu có thể được khám phá với các đặc tính khác thường. Nguồn: Nidhi Pashine

Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng chính trí nhớ này để kiểm soát cách một vật liệu lão hóa, giải mã những đặc tính cụ thể và cho phép chúng thể hiện những chức năng mới. Lối tiếp cận sáng tạo để thiết kế các vật liệu này là kết quả của một nhóm hợp tác giữa các nhà nghiên cứu Andrea Liu, Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine của Penn và Daniel Hexner của trường đại học Chicago.

Liu và Nagel đã từng hợp tác với nhau nhiều năm về vật lý các hệ hỗn độn. Tương phản với các hệ trật tự, vốn có các mẫu lặp lại và mang tính hệ thống, các hệ hỗn độn được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Một ví dụ minh họa là một bức tường tự nhiên từ bùn nhão được nén chặt, nơi các thớ riêng biệt không được xếp chồng lên nhau mà được xếp đống lại với nhau theo hình thức một cấu trúc rắn. Các nhà nghiên cứu đã quan tâm đến các hệ này bởi vì sự ngẫu nhiên của chúng cho phép họ dễ dàng chuyển đổi nó thành những siêu vật liệu cơ học mới với những đặc tính cơ học độc đáo.

Một đặc tính quan trọng là các nhà khoa học vật liệu có thể thích kiểm soát cách một vật liệu phản hồi khi có một ngoại lực tác động lên vật liệu đó. Khi phần lớn các vật liệu bị biến dạng theo một chiều, chúng thường co lại theo đường vuông góc và khi bị nén, chúng giãn nở cũng theo đường vuông góc như một sợi dây cao su – khi bị biến dạng thì trở nên mỏng hơn và khi bị giãn nở lại trở nên dày hơn.

Các vật liệu hành xử theo hướng ngược lại, một số co lại theo đường vuông góc khi bị nén và trở nên dày hơn khi biến dạng, vốn được gọi là auxetics. Những vật liệu này rất hiếm nhưng được cho là trở nên tốt hơn khi hấp thụ năng lượng và có độ bền – đứt gãy hơn (fracture-resistant). Các nhà nghiên cứu đang quan tâm đến việc tạo ra các vật liệu auxetic để giúp cải thiện chức năng này của vật liệu có thể giúp chúng chịu được va đập.

Trong nghiên cứu này, họ muốn tìm hiểu là liệu họ có thể dùng “trí nhớ” về những ứng suất mà một vật liệu hỗn độn đã gặp phải để chuyển đổi vật liệu đó thành một vật liệu mới hay không. Đầu tiên, họ chạy trên máy tính các mô phỏng của các vật liệu thông thường chịu ứng suất và thay đổi các liên kết nguyên tử một cách chọn lọc để xem những thay đổi nào có thể khiến nó trở thành vật liệu auxetic. Họ khám phá ra, bằng việc cắt bỏ các liên kết dọc theo các khu vực chịu ngoại ứng suất, họ có thể tạo ra một vật liệu auxetic phiên bản số hóa.

Sử dụng hiểu biết đó, nhóm nghiên cứu đã đặt một vật liệu kiểu Styron bọt và đưa thêm “trí nhớ” vào bằng việc cho phép vật liệu đó lão hóa chịu các ứng suất lý thuyết. Để tạo ra tính chất auxetic cho vật liệu đó, họ áp một ứng suất không đổi vào vật liệu này và để nó lão hóa một cách tự nhiên. “Dưới tác động của ứng suất trên toàn bộ vật liệu, nó tự điều chỉnh chính nó. Tự nó đã chuyển đổi thành một siêu vật liệu cơ học từ một vật liệu bình thường”, Liu nói.

Quá trình đơn giản và hiệu quả một cách đáng kinh ngạc này là một bước tiến gần đến một “chén thánh” của khoa học vật liệu về khả năng tạo ra các vật liệu với các cấu trúc ở cấp độ nguyên tử riêng biệt mà không cần đến các thiết bị có độ phân giải cao hoặc những biến đổi ở cấp độ nguyên tử. Thay vào đó, cách tiếp cận được miêu tả trong bài báo trên Science Advance này chỉ đòi hỏi một chút kiên nhẫn trong khi hệ này đạt được “trí nhớ” và sau đó lão hóa một cách tự nhiên.

Liu nói, đây là một cách “hoàn toàn khác biệt” để nghĩ về việc làm ra các vật liệu mới. “Anh khởi đầu với một hệ hỗn độn và sau đó nếu đặt vào  các ứng suất phù hợp, anh có thể làm cho nó có được những đặc tính mà anh muốn”, bà nói.

Công trình này có một kết nối chặt chẽ với các cấu trúc trong sinh học. Các nội quan, các enzyme, và các mạng lưới hình sợi là các ví dụ tự nhiên về hệ hỗn độn vốn khó mô phỏng nhân tạo bởi chúng hết sức phức tạp. Giờ đây, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng cách tiếp cận đơn giản hơn này như một điểm bắt đầu để tạo ra những cấu trúc phức tạp như của cơ thể con người từ những đặc tính phong phú của thế giới sinh học.

Nagel hết sức phấn khích về tương lai này. “Ngoài ra để tạo ra những vật liệu auxetic, chúng ta có thể sử dụng máy tính để thiết kế chính xác cơ chế kiểm soát các phần cách biệt của vật liệu bằng việc đặt vào các ứng suất cục bộ. Nó cũng được gợi ý từ các hoạt động sinh học. Hiện tại chúng tôi cần là xem nó có thể phù hợp với việc làm lão hóa một vật liệu thực tế trong phòng thí nghiệm hay không”.

“Những điều có thể xảy ra ở giai đoạn này vẫn được coi là vô hạn. Chỉ khi kết hợp được cả lý thuyết và thực nghiệm, chúng ta mới bắt đầu hiểu được những gì là giới hạn của ý tưởng thiết kế vật liệu mới”, Nagel nói.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-material-memory-encode-unique-physical.html