Số phận một bài báo và vật liệu Auxetic dị thường

1.Dị thường nên không được chấp nhận

Leb Lanđau là một nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng của Liên Xô, trong những năm 1930 có lúc là giáo sư vật lý ở Đại học Tổng hợp Kharcov, một thành phố lớn ở Ucraina thuộc Liên Xô cũ. Thời gian sau ông về làm việc ở Moskva. Boris Iakovlevitch Pines cỡ cùng tuổi với Lanđau, là giáo sư về Vật lý chất rắn ở Đại học Tổng hợp Kharcov cho đến lúc mất. Ông vừa làm lý thuyết vừa làm thực nghiệm, nổi tiếng về những công trình khuếch tán trong kim loại, chuyển pha ở các hợp kim, viết sách giáo khoa về tia X, chế tạo ống phát tia X tiêu điểm nhỏ... Đặc biệt ông chế tạo được máy nhiễu xạ điện tử chuyên nghiên cứu chuyển pha ở màng mỏng và phát hiện ra hiện tượng chuyển pha cấu trúc ở màng mỏng khi bề dày giảm xuống đến một mức nào đó.Nói vậy để thấy ông cũng là một nhà vật lý có tên tuổi và đã có thời Lanđau quen biết ở Kharcov. Khi Lanđau đã rất nổi tiếng ở Moskva có quyền lực tối cao trong việc xét duyệt bài đăng ở các tạp chí khoa học danh tiếng trung ương, Pines từ Kharcov đã gửi đến Moskva một bài báo lý thuyết với nội dung chính là chứng minh vật rắn không nhất thiết là luôn luôn phải có hệ số Poisson dương mà trong một số trường hợp có thể có hệ số Poisson âm.Hệ số Poisson k là tỉ số giữa biến dạng phần trăm theo chiều ngang so với biến dạng phần trăm theo chiều dọc của vật khi bị lực kéo. Một thanh vật rắn khi kéo theo chiều dài thì chiều ngang bị co lại, đó là do có hệ số Poisson dương. Tất cả các sách giáo khoa đều cho biết, đối với vật rắn hệ số Poisson k đều là dương và lớn nhất là k=1/2. Nhưng ở bài báo của Pines gửi đến thì có thể có vật liệu mà hệ số Poisson k âm, như thế có nghĩa là một thanh làm bằng vật liệu này khi kéo, bị giãn ra theo chiều dài thì bề ngang cũng lại giãn ra, đó là điều rất dị thường.Không ai rõ Pines đã chứng minh bằng lý thuyết như thế nào để có kết quả là hệ số Poisson có thể âm vì với tư cách là người duyệt bài, Lanđau không cho đăng nên về sau không ai được thấy, được đọc bài báo đó. Người ta chỉ kể chuyện như là kể tiếu lâm rằng khi tổ chức xemina để duyệt bài đó, sau khi Pines trình bày, Lanđau đã mai mỉa “Pines, anh biết không, nếu ở tên anh, anh đổi chỗ vị trí chữ i cho chữ e thì anh có thể có vật duy nhất ở trên đời là khi dài ra thì chung quanh lại phồng lên”.Số phận bài báo của Pines đã chấm dứt như thế đó.

2. Có hay không vật rắn có hệ số Poisson âm?

Công trình tiên phong về vật rắn có hệ số Poisson âm như thế là bị vùi dập hoàn toàn và cho đến cuối đời Pines không đả động gì nữa về vấn đề này.Nhưng sau đó một số sự kiện thực nghiệm làm cho các nhà khoa học suy nghĩ lại.Năm 1969 giáo sư Mark Perakh (Liên Xô) có một nghiên cứu sinh tên là Balagurov làm thí nghiệm với màng mỏng hợp kim từ chế tạo trong từ trường mạnh. Khi đo đạc ứng suất ở màng mỏng này thì thấy số liệu tính ra cứ lung tung, không giải thích được. Cuối cùng mới suy ra rằng đó là do vật liệu màng mỏng này có hệ số Poisson âm. Trên cơ sở này Perakh và Balagurov công bố trên tạp chí Vật lý Chất rắn của Liên Xô không những thực tế có tồn tại vật liệu có hệ số Poisson âm mà còn cả lý luận về nhiệt động học tại sao có thể có loại vật liệu này. Lúc đó thì cả Lanđau và Pines đều đã mất.Nhưng sau này người ta lại cho rằng công trình đầu tiên về vật liệu dị thường này là ở bài báo in ở tờ Science năm 1987 với nhan đề “Cấu trúc vật xốp và hệ số Poisson âm”, tác giả là R.S. Lake ở Đại học Iowa (Mỹ). Năm 1991 người ta bắt đầu dùng từ auxetic để chỉ vật liệu có hệ số Poisson âm. Đó là danh từ do giáo sư Mỹ Ken Evans đề xuất, ghép từ tiếng Hy Lạp auxetikos có nghĩa là có xu hướng tăng lên và auxesis có nghĩa là tăng.Bây giờ tra tự điển, ta có định nghĩa ngắn gọn, rõ ràng: auxetics là vật liệu có hệ số poisson âm. Tìm kỹ hơn ta thấy vô số giải thích, tính chất đặc điểm của loại vật liệu này, đặc biệt là ứng dụng trong công nghệ mới. Về lịch sử tìm ra vật liệu này ta không thấy bóng dáng nào của các nhà khoa học Liên Xô cả.

3. Cấu trúc, tính chất và ứng dụng của vật liệu auxetic

Có thể hình dung vật auxetic qua hình vẽ hai chiều của viên gạch cấu tạo nên (hình 1). Đó là một hình lục giác bị biến đổi, chỉ còn hai cạnh song song còn 4 cạnh kia tạo thành hai góc lõm vào trong chứ không phải lồi ra ngoài như hình lục giác thường. Hình lục giác bị biến đổi đó giống như chiếc nơ ở cổ áo sơ mi trong âu phục lễ hội.Với cấu trúc gồm những chiếc nơ như vậy liên kết với nhau, lúc kéo cho hai cạnh song song giãn ra xa thì hai góc lõm cũng mở rộng, tạo nên sự giãn ra theo chiều vuông góc với chiều lực kéo. Như vậy cấu trúc đó có hệ số Poisson âm. Do có hệ số Poisson âm mà vật liệu auxetic có những tính chất dị thường, các nhà khoa học đã ứng dụng để làm ra những thứ mà vật liệu có hệ số Poisson dương thông thường không làm được. Có một số ít vật liệu rắn có trong tự nhiên hoặc nhân tạo làm ra có tính chất auxetic nhưng có rất nhiều chất hữu cơ trong thiên nhiên có tính chất auxetic. Đặc biệt là từ các chất polyme, có thể chủ động chế biến để thành vật liệu auxetic.Sau đây là một số thí dụ ứng dụng:

- Làm màng lọc. Màng lọc phải có những lỗ nhỏ ở một kích cỡ nào đấy tùy theo yêu cầu lọc đề ra để cho những hạt nhỏ hơn kích cỡ đó lọt qua, giữ lại những hạt có kích cỡ lớn hơn. Để chất cần lọc có thể đi qua, phải tác dụng một áp suất, bản thân chất cần lọc cũng tạo ra một áp suất nhất định tác dụng lên màng lọc. Nếu màng lọc không phải là auxetic, có cấu trúc như kiểu các lục giác thường, khi có áp suất tác dụng kéo hay nén theo một chiều nào đó, các hình lục giác sẽ thay đổi hình dạng dài ra hoặc co lại, hạt có kích thước cần cho lọt qua sẽ bị giữ lại (hình 2, trên). Nếu dùng màng lọc bằng vật liệu auxetic thích hợp, có áp suất, “cái nơ” sẽ giãn đều ra theo hai chiều, dễ dàng cho hạt lọt qua (hình 2, dưới).

-Làm đệm xốp, chống va chạm. Các chất thông thường (không phải là auxetic) khi tác dụng lực nén, bề mặt bị lõm xuống, sinh ra lực đẩy vật chất từ chỗ lõm ra xa (hình 3). Trái lại đối với vật liệu auxetic vật chất bị co lại về phía lồi lõm, tăng độ đàn hồi chống đỡ lại lực nén làm lõm xuống.Đệm xốp auxetic khi nằm xuống không bị lõm như yên ngựa mà lại có lực đàn hồi nâng nhẹ lên rất dễ chịu.Những tính chất cơ tương tự của vật liệu xốp auxetic cũng được dùng ở băng thắt bảo hiểm khi ngồi ở ô tô, máy bay, dùng ở thảm đấu vật...

- Composit tăng cường bằng sợi auxetic. Ở vật liệu composit, có chất gọi là chất nền, người ta trộn thêm sợi vào để chia nhỏ thể tích nền ra, tạo thành vật liệu composit bền chắc hơn chất nền nhiều lần. Nhưng khi tác dụng lực, nếu chỗ nào sợi bị kéo tuột khỏi nền thì composit sẽ bắt đầu phá rách từ đó và lan rộng ra. Đó là nguyên nhân bị đứt gãy sớm của composit.Người ta thay thế sợi thường bằng sợi auxtenic (hình 4). Lúc bị kéo sợi auxtenic bị nở ra ép chặt vào chất nền, khó tuột ra được. Nhờ đó composit với sợi auxtenic rất bền.Cũng theo nguyên tắc này các sợi vải thật bền chắc để dệt thành vải thí dụ như để may áo giáp chống đạn có thêm sợi auxetic để vải bền chắc thêm. Nguyên nhân là các sợi cần mềm mại nên phải xe lại từ nhiều sợi con, khi kéo mạnh các sợi con này bị co lại theo chiều ngang nên dễ tuột ra làm cho sợi bị đứt. Nếu trộn lẫn vào đó một phần sợi con auxetic, lúc sợi bị kéo các sợi con auxetic phồng lên, ép các sợi con lại làm cho các sợi con khó tuột ra.Auxetic hoạt động

- Làm nong mạch máu (hình 5, trên). Mạch máu có những chỗ vì một lý do nào đấy bị bóp lại mạnh, máu khó lưu thông. Người ta đưa vào đấy ống auxetic và có cơ cấu đặc biệt để tác dụng lên ống lực theo chiều dọc. Ống auxetic bị phồng ra theo chiều ngang xung quanh, làm nong to mạch máu.- “Đạn” dễ chui qua ống (hình 5, dưới). Muốn cho một vật, gọi là viên đạn, chui dễ dàng qua một ống phải tác động lên viên đạn một lực đẩy kiểu áp suất và để ít mất mát lực đẩy đạn phải tương đối khít với ống. Nếu làm đạn bằng vật liệu thông thường vừa khít để lọt vào ống được và dễ chuyển động thì lúc áp suất tạo ra lực đẩy lớn, viên đạn dài ra và co lại bề ngang nên bị hở. Người ta tính toán làm cho viên đạn có lớp ngoài là một lớp vật liệu auxetic sao cho hệ số poisson âm bù trù được với phần bên trong vỏ có hệ số poisson dương. Kết quả là khi có lực đẩy mạnh cả viên đan không thay đổi hình dạng kích thước, luôn vừa khít để dễ chuyển động trong ống.Viên đạn ở đây có thể nhỏ trong nhiều ứng dụng thông thường cũng có thể rất lớn trong trường hợp phóng hỏa tiễn đặc biệt.

- Vật liệu auxetic ứng dụng trong lò phản ứng. Lò phản ứng hạt nhân Magnox là ứng dụng điển hình của cấu trúc auxetic ở quy mô lớn. Ở lò phản ứng luôn có vấn đề lớn là các thanh nhiên liệu uranium phải được kéo lên kéo xuống tự do trong môi trường chất bảo vệ chung quanh là graphit, khe hở giữa thanh uranium và lỗ ống tròn trong graphit càng nhỏ càng tốt. Một mặt thanh uranium phải giữ cho nguội để khỏi bị cong, mặt khác lỗ hình ống trong graphit phải không được méo mó khi graphit bị tia phóng xạ tác dụng tạo ra lực kéo. Người ta đã làm các khối graphit to, mỗi khối có lỗ hình ống ở giữa cho thanh graphit lọt vào và các khóa liên kết giữa các khối graphit sao cho toàn bộ có cấu trúc auxetic với hệ số poisson k=-1.Với cấu trúc auxetic đó, dẫu cho graphit bị phóng xạ làm biến dạng như thế nào, lỗ hình ống ở giữa vẫn không biến dạng, thanh nhiên liệu gần khít ở trong lỗ vẫn chuyển động lên xuống dễ dàng.Trên đây chỉ là những thí dụ đơn giản dễ hiểu về ứng dụng vật liệu auxetic. Vật liệu auxetic còn được sử dụng trong công nghệ vi cơ làm mạch vi điện tử, làm mạch máu nhân tạo, dùng để hấp thụ âm và làm tắt chấn động dùng trong máy bay, trong du hành vũ trụ, v.v.

Khi ứng dụng của vật liệu auxetic lan rộng ra nhiều lĩnh vực thì những người thân thiện với Liên Xô cũ và biết chuyện đều tiếc cho bài báo của Pines bị gạt đi một cách oan uổng và cho rằng vật liệu auxetic đáng lý ra phải gọi là vật liệu Pinesian.Tôi cũng là một người luyến tiếc như vậy vì giáo sư Boris Iakovlevitch Pines, người Ucraina gốc Do Thái, là thầy hướng dẫn nghiên cứu sinh của tôi trong những năm 1961-1965.