Đây là đột phá có thể mở ra kỷ nguyên ứng dụng rộng rãi cho gốm trong các ngành công nghiệp yêu cầu chịu nhiệt độ và điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt là hàng không vũ trụ.
Từ lâu, gốm là vật liệu lý tưởng để chịu nhiệt nhờ cấu trúc liên kết ion hoặc cộng hóa trị rất bền, khó nóng chảy và không bị đốt cháy, do đó thường được sử dụng trong động cơ, tàu vũ trụ và các phương tiện siêu vượt âm. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của gốm là giòn, dễ nứt gãy khi bị uốn cong hoặc va chạm và dễ xuống cấp nếu tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao do cấu trúc tinh thể bên trong bị biến đổi.
Trước đây, một hướng giải pháp khả thi là sử dụng aerogel, vật liệu xốp siêu nhẹ chủ yếu gồm không khí, để cách nhiệt. Dù nhẹ và cách nhiệt tốt, nhưng aerogel truyền thống lại dễ vỡ hơn cả gốm thông thường. Điều mà các kỹ sư vẫn mơ ước là một loại gốm “mềm như mút xốp nhưng cách nhiệt như gạch lò nung”, điều tưởng chừng không thể thực hiện.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Lan Châu đã hiện thực hóa giấc mơ đó. Họ tạo ra một loại gốm aerogel có thể nén đến 98% thể tích mà không vỡ, sau đó bật trở lại hình dạng ban đầu như cao su. Vật liệu này hoạt động ổn định trong môi trường có nhiệt độ từ -196 độ C đến 1.500 độ C, vượt xa khả năng chịu nhiệt của hầu hết gốm công nghiệp hiện nay. Đồng thời, loại gốm này cũng cách nhiệt hiệu quả hơn phần lớn vật liệu chịu lửa đang được sử dụng.
Điều kỳ diệu nằm ở cấu trúc vi mô đặc biệt với mạng lưới các sợi nano dày chỉ 250 nanomet, được dệt thành dạng khung ba chiều giống như chiếc lò xo rỗng. Khi bị ép, các sợi này uốn cong, trượt và dàn đều áp lực, giúp vật liệu không bị nứt vỡ cục bộ - điều vốn là điểm yếu cực kỳ lớn của gốm thông thường.
Ngoài cấu trúc sợi đàn hồi, nhóm nghiên cứu còn áp dụng một thủ thuật mang tên “entropy cao”. Thay vì dùng một loại oxit kim loại chủ đạo như gốm cổ điển, họ trộn lẫn 5 nguyên tố kim loại khác nhau vào cùng một mạng tinh thể. Cấu trúc hỗn loạn này cản trở việc truyền nhiệt và ngăn cản các tinh thể phát triển ở nhiệt độ cao, giữ được độ ổn định lâu dài cho vật liệu.
Kết quả là, loại aerogel gốm mới không chỉ dẻo và đàn hồi một cách bất ngờ, mà còn duy trì được tính chất chịu nhiệt vượt trội. Đặc biệt, nó không mềm đi hay biến dạng vĩnh viễn ngay cả sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao liên tục.
Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu mới này có thể cách mạng hóa vỏ bọc của các phương tiện siêu vượt âm, vốn phải chịu rung động và nhiệt độ cực đoan. Ngoài ra, nó cũng hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong cách nhiệt cho tua-bin khí, làm lá chắn nhiệt cho tàu vũ trụ, hay các ron, đệm kín trong môi trường cực đoan. Nhờ độ bền cơ học cao và tính đàn hồi, vật liệu còn phù hợp cho các linh kiện hàng không phải hoạt động dưới rung động liên tục.
Vu Lam
Theo Interesting Engineering
