Các kỹ sư từ Đại học Pennsylvania đã phát triển một loại vật liệu hết sức có ý nghĩa mà họ gọi là “gỗ kim loại” được làm từ niken với ưu điểm chính giống như gỗ tự nhiên. Bất chấp những tiến bộ công nghệ trong xây dựng, gỗ vẫn là vật liệu xây dựng phổ biến nhờ tỷ lệ cao về độ bền trên mật độ. Suốt ba năm qua, các kỹ sư thuộc Đại học Pennsylvania đã phát triển một loại vật liệu kim loại mới với những tính chất hấp dẫn của gỗ. Nó có biệt danh - “gỗ kim loại” - do bắt chước một đặc điểm cấu trúc chính của gỗ tự nhiên: độ xốp. Gỗ kim loại là một mạng lưới các thanh niken kích thước nano với các lỗ xốp kích thước cách đều nhau. Điều này làm giảm tối đa mật độ của nó mà vẫn duy trì được độ bền do trong trọng lượng có một phần nhỏ của titan. Khoảng cách của các lỗ này cũng mang lại cho vật liệu một số đặc tính quang học độc đáo. Khoảng cách giữa các khoảng trống có cùng kích thước với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy có nghĩa là ánh sáng phản xạ từ gỗ giao thoa, kết quả là tạo ra các tông màu riêng - tùy thuộc vào góc phản xạ được tăng cường. Điều này mang lại cho vật liệu vẻ ngoài hấp dẫn với màu sắc cầu vồng, có khả năng tích hợp vào các thiết bị cảm biến. Trong khi vật liệu này đã được phát triển vài năm, các kỹ sư hiện đã xử lý một vấn đề nghiêm trọng mà khiến họ không thể sản xuất gỗ kim loại với quy mô như mong muốn: đó là loại bỏ các vết nứt ngược hình thành do vật liệu được phát triển từ các hạt nano thành màng kim loại. Việc ngăn ngừa vết nứt này cho phép loại vật liệu được phát triển với quy mô lớn hơn 20.000 lần so với trước đây. Khi một vết nứt hình thành trong một vật liệu thông thường, các liên kết giữa các nguyên tử bị phá vỡ, cuối cùng khiến vật liệu bị nứt ra. Tuy nhiên, một vết nứt ngược là sự dư thừa của các nguyên tử. Trong trường hợp gỗ kim loại, đây là những nguyên tử niken bổ sung lấp đầy các lỗ nano mang lại cho nó những đặc tính độc đáo. Nghiên cứu sinh Zhimin Jiang, người làm việc cho dự án cho biết: “Các vết nứt ngược đã là một vấn đề kể từ lần tổng hợp đầu tiên các vật liệu tương tự vào cuối những năm 1990. "Tìm ra một cách đơn giản để khử bỏ chúng đã là một trở ngại lâu dài trong lĩnh vực này." Các vết nứt ngược xuất hiện từ việc phát triển gỗ kim loại. Nó xuất hiện do sự xếp chồng lên nhau của các quả cầu nano được bao bọc bởi 'khuôn màng'. Khi niken được lắng đọng qua đó, nó tạo thành một mạng lưới xung quanh các hình cầu, sau đó chúng bị hòa tan để lại cấu trúc lỗ niken. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu tại bất kỳ vị trí nào mà mô hình xếp chồng thông thường của các quả cầu nano bị phá vỡ, niken sẽ lấp đầy những khoảng trống đó và tạo ra một vết nứt ngược khi màng khuôn đó bị hòa tan. “Phương pháp chuẩn để chế tạo những vật liệu này là bắt đầu với dung dịch hạt nano và làm bay hơi nước cho đến khi các hạt khô và xếp chồng lên nhau đều đặn. Thách thức là lực bề mặt của nước mạnh đến mức chúng làm rách màng của các hạt và tạo thành các vết nứt, giống như các vết nứt hình thành khi cát khô, ”Giáo sư James Pikul giải thích. “Những vết nứt này rất khó ngăn chặn trong các cấu trúc mà chúng tôi đang cố gắng xây dựng, vì vậy chúng tôi đã phát triển một chiến lược mới cho phép tự sắp xếp các hạt trong khi giữ cho khuôn màng luôn ướt. “Điều này giúp màng không bị nứt, nhưng vì các hạt bị ướt nên chúng tôi phải nhốt chúng tại chỗ có sử dụng lực tĩnh điện để có thể lấp đầy vết nứt bằng kim loại.” Giờ đây, khi có thể tạo ra những loại gỗ kim loại lớn hơn, đồng nhất hơn, Pikul và các đồng nghiệp của ông đặc biệt quan tâm đến việc sử dụng vật liệu này để chế tạo các thiết bị mới. Ông cho biết: “Với cách tiếp cận sản xuất mới cho phép chúng tôi tạo ra các kim loại xốp có độ bền cứng gấp ba lần các kim loại xốp trước đây ở mật độ tương tự và lớn hơn 1.000 lần so với các loại vật liệu nano khác. “Chúng tôi dự định sử dụng những vật liệu này để chế tạo một số thiết bị trước đây không thể, chúng tôi đang sử dụng làm màng vật liệu sinh học trong chẩn đoán ung thư, lớp phủ bảo vệ và cảm biến linh hoạt.”
Nguồn: https://www.sciencedaily.com