Phát hiện phương pháp tạo ra vàng nguyên chất vừa nhẹ vừa bền

Các nhà nghiên cứu tin rằng kỹ thuật đó có thể đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các vật liệu cần thiết cấp bách trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và điện tử tiêu dùng, nơi nhu cầu về vật liệu nhẹ nhưng có độ bền cao đang rất lớn.

Trong các phương pháp tạo hình kim loại thông thường như đúc, hàn và in 3D, các bọt khí được coi là lỗi vật liệu nghiêm trọng và kỹ sư phải hết sức cẩn thận để tránh chúng.

Bọt khí bên trong kim loại có thể dẫn đến mất độ bền. Bọt khí ở mối nối kim loại có thể làm giảm độ bền. Bọt khí bề mặt có thể làm giảm độ hoàn thiện của vật liệu.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Quốc gia Thẩm Dương thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) phát hiện rằng thay vì loại bỏ các lỗ rỗng này, "việc tinh chỉnh kích thước và điều chỉnh hình dạng cũng như sự phân bố của chúng không chỉ có thể giảm thiểu tác động có hại mà còn mang lại những lợi ích bổ sung".

Nghiên cứu do Jin Haijun của CAS dẫn đầu đăng trên tạp chí Science được bình duyệt. Được bình duyệt là thuật ngữ để chỉ việc bài báo hoặc nghiên cứu được đánh giá và chấp nhận công bố bởi cộng đồng chuyên gia trong lĩnh vực tương ứng.

“Điều này gợi ý một cách hấp dẫn để tinh chỉnh các đặc tính của chất rắn”, Brent Grocholski, biên tập viên cao cấp tại tạp chí Science, cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vàng làm vật liệu mô hình và tạo ra vàng xốp có cấu trúc đồng nhất thông qua quy trình ăn mòn hợp kim. Bằng cách nén và sau đó ủ (hoặc nung nóng và làm nguội) kim loại, họ đã tạo ra một vật liệu mới chứa đầy các lỗ nano phân tán nhỏ hơn 100 nanomet.

Các thử nghiệm cho thấy rằng bằng cách thêm các lỗ nano ở tỷ lệ thể tích từ 5 đến 10%, độ bền của vàng tăng từ 50 đến 100%, nghĩa là nó có thể chịu được tải trọng cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo tốt. Ở một số mẫu, độ dẻo thậm chí còn vượt trội hơn so với vàng đặc hoàn toàn có cùng kích thước.

“Sự cải thiện này là do các lỗ nano phân tán giúp giảm bớt ứng suất và sự tập trung biến dạng xung quanh các lỗ rỗng, do đó ức chế sự khởi đầu của các vết nứt. Diện tích bề mặt riêng lớn của vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho các tương tác giữa bề mặt và vị trí sai lệch, giúp tăng cường độ bền và tỷ lệ cứng hóa ứng suất, điều này góp phần cải thiện độ dẻo”, Jin Haijun cho biết trong một báo cáo chính thức của CAS.

Kích thước và mật độ của các lỗ rỗng cũng quan trọng.

"Cho đến nay, kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng các lỗ rỗng có đường kính trong khoảng từ 10 đến 100 namomet có lợi cho việc tăng cường mà không ảnh hưởng đến độ dẻo. Việc tinh chỉnh thêm kích thước lỗ rỗng trung bình xuống dưới 10 nanomet có thể làm vật liệu cứng hơn nữa, nhưng sẽ làm giảm độ dẻo", Jin Haijun viết.

Theo truyền thống, việc tăng cường độ bền của vật liệu trong khi giảm trọng lượng đạt được bằng cách thêm các thành phần hợp kim nhẹ hơn, chẳng hạn nhôm trong thép nhẹ và lithium trong hợp kim nhôm.

Ngược lại, phương pháp trừ đi của nhóm nghiên cứu Trung Quốc đưa ra chiến lược thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí để cải thiện tính chất kim loại mà "không tăng thêm trọng lượng, không gây ô nhiễm". Các lỗ nano phân tán làm giảm mật độ của vàng nguyên chất hơn 10%, hỗ trợ vật liệu nhẹ và có khả năng tái chế.

Phương pháp này phần lớn bảo toàn các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu, chẳng hạn độ dẫn nhiệt và dẫn điện, cùng khả năng chống ăn mòn của nó.

“Ví dụ, vàng với lỗ nano có thể được sử dụng làm vật liệu kết nối hoặc tiếp xúc trong thiết bị điện tử. Chiến lược gia cố này cũng có thể được áp dụng cho các kim loại và hợp kim kỹ thuật khác, miễn là lỗ rỗng nano có thể được tích hợp hiệu quả vào vật liệu, với các ứng dụng tiềm năng trên nhiều lĩnh vực”, Jin Haijun cho biết.