Thủy tinh kim loại siêu bền

Mô hình thủy tinh kim loại
với các thành phần kim loại khác nhau.

Giờ đây, một loại vật liệu có tính năng tương tự chuẩn bị xuất hiện khắp mọi nơi, có tên gọi thủy tinh kim loạihay kim loại vô định hình. Trong năm 2004, các nhà nghiên cứu đã làm cho thủy tinh kim loại bền gấp 3 lần thép công nghiệp tốt nhất và đàn hồi gấp 10 lần. Nói cách khác, nó gần như là đối thủ của Kẻ hủy diệt.

Thủy tinh kim loại, khái niệm nghe khá nghịch, nhưng đứng ở góc độ nào đó thì đúng như vậy: Nó có cả tính chất của thủy tinh và cả của kim loại. Trong khi các nguyên tử kim loại sắp xếp có trật tự hay tinh thể, thì các nguyên tử trong thủy tinh kim loại ở trạng thái lộn xộn, giống như trong chất lỏng hoặc thủy tinh.

Ở hợp kim tinh thể, các nguyên tử nằm trong vùng gọi là "thớ" và ranh giới giữa các thớ này là những điểm yếu trong vật liệu. Tuy nhiên, thủy tinh kim loại không có những ranh giới như vậy, do đó chúng bền hơn nhiều. Nếu dùng búa đập một loại kim loại tinh thể, nó sẽ lõm do các thớ hấp thụ năng lượng của cú đánh và di chuyển dọc ranh giới thớ. Tuy nhiên, các nguyên tử trong kim loại vô định hình nêm đặc và dễ dàng đàn hồi trở lại hình dạng ban đầu sau cú giáng búa. Và cũng do những nguyên liệu này thiếu các thớ tinh thể nên có thể uốn chúng thành các hình dạng khác nhau. Bên cạnh đó, cấu trúc giống chất lỏng nghĩa là chúng tan chảy ở nhiệt độ thấp hơn và có thể đúc khuôn dễ dàng không kém gì chất dẻo. Những đặc tính ưu việt này khiến thủy tinh kim loại đang trở thành mối quan tâm của nhiều công ty.

Song, vấn đề là không ai có thể tạo ra một loại thủy tinh kim loại hữu ích. Nguyên nhân là khi kim loại nóng chảy nguội đi, chúng bắt đầu kết tinh. Khi đó, các dãy nguyên tử có trật tự hình thành ở nhiều điểm trong chất lỏng nóng chảy. Để tạo thủy tinh kim loại, cần phải chặn được quá trình kết tinh đó. Kết tinh xảy ra nếu chất lỏng được làm nguội với tốc độ cực nhanh. Mãi cho tới gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc Công ty Liquidmetal Technologies ở California mới khắc phục được nhược điểm trên.

Công ty này do William Johnson thành lập. Trong một thời gian dài, Johnson không tìm ra cách nào làm cho thủy tinh kim loại dày hơn 1 milimét. Sau đó, ông được nghe nói tới phát minh của Akihisa Inoue tại Viện Nghiên cứu vật liệu ở Tohoku (Nhật Bản). Inoue đã phát hiện ra rằng, bổ sung thêm các nguyên tử kim loại lớn, cồng kềnh vào một hợp kim sẽ làm chậm lại đáng kể tốc độ kết tinh. Điều quan trọng là kết hợp các nguyên tử lớn và nhỏ với tỷ lệ phù hợp. Nếu kết hợp đúng, khi hợp kim nóng chảy lạnh đi, các nguyên tử nhỏ hơn sẽ vây quanh những nguyên tử lớn hơn. Các nguyên tử nhỏ khác lấp đầy lỗ không gian giữa các nhóm trên và kết quả là một tập hợp các nguyên tử hỗn độn đã được hình thành. Vật liệu được tạo ra chính là thủy tinh kim loại cực kỳ dai, thay thế kim loại thông thường.

Vào đầu những năm 1990, Johnson và đồng nghiệp tại Viện Công nghệ California cuối cùng cũng tạo ra một loại hợp kim bằng phương pháp trên và nó chính là tiền đề để ông thành lập Công ty Liquidmetal. Họ đặt tên vật liệu này là Vitreloy. Vitreloy chứa các nguyên tử lớn: zircon, titan, đồng và niken, cùng các nguyên tử nhỏ berili. Vitreloy đàn hồi hơn so với thép. Nó rất dễ uốn ở 400 độ C so với thép trên 1.000 độ C. Khả năng này làm Vitreloy có giá thành sản xuất thấp hơn.

Khắc phục tính giòn

Tuy nhiên mọi việc không theo đúng kế hoạch. Sản phẩm đầu tiên làm bằng Vitreloy của công ty này là gậy đánh gôn và độ đàn hồi của vật liệu giúp cho người sử dụng có thể đánh quả bóng đi xa hơn so với bất kỳ loại nào khác trên thị trường. Rắc rối ở đây là thủy tinh kim loại cực giòn, mặc dù chúng siêu bền. Giống như kính cửa sổ, chúng sẽ nứt và vỡ thành từng mảnh nếu bị tác dụng đủ lực. Kim loại thông thường chậm chạp nứt dọc theo các ranh giới thớ. Còn thủy tinh kim loại vỡ mà không báo trước. Do vậy, những cây gậy đánh gôn này không bao giờ được bán trên thị trường. Sản phẩm nguyên mẫu thường vỡ vụn sau 40 lần vụt bóng.

Nghiên cứu của Liquidmetal cho thấy thủy tinh kim loại giòn là do các dải hình thành ở những điểm căng trong vật liệu. Ở vật liệu kết tinh, những dải này mở rộng một đoạn ngắn dọc theo ranh giới thớ rồi ngừng lại khi chúng gặp tinh thể. Tuy nhiên, ở thủy tinh kim loại, các dải tiếp tục phát triển. Johnson và nhóm của ông đã khắc phục bằng cách cho thêm các hạt tinh thể vào Vitreloy. Tuy nhiên, đây không phải là giải pháp lý tưởng. Johnson muốn tìm ra một loại thủy tinh kim loại cứng song không cần tinh thể. Để làm điều đó, ông phải nung nóng nhiều thành phần với nhau rồi thử chúng. Cuối cùng, năm ngoái, nỗ lực của họ cũng đã đơm hoa kết trái. Nhóm đã chế tạo thành công thủy tinh kim loại không giòn, là hỗn hợp của platin, đồng, nicken và phốt pho. Khi họ tác dụng một lực vào vật liệu, nhiều dải xuất hiện song mỗi dải rất nhỏ và mỏng. Những dải này làm tăng độ dai tổng thể bằng cách can thiệp lẫn nhau để không một dải nào mở rộng thành một vết nứt dài.

Do platin chiếm gần 60% trong loại thủy tinh mới nên giá thành của nó khá đắt, không thể sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, chẳng có điều gì làm các nhà khoa học chùn bước, nhiều nghiên cứu đã giúp họ tìm được hướng tạo ra các loại thủy tinh kim loại nhanh hơn và rẻ hơn.

Hợp kim hoàn hảo

Một bước tiến quan trọng nữa là khả năng chế tạo thủy tinh kim loại bằng cách dùng các kim loại rẻ tiền như sắt và đồng. Joseph Poon và Gary Shiflet tại Đại học Virginia đã tuyên bố tạo ra loại thủy tinh thép đầu tiên chứa carbon, sắt và một chút mangan. Do mangan không có từ tính nên thủy tinh thép là một trong những loại thép không từ tính đầu tiên. Đây có thể là một bước đột phá lớn, bởi các con tàu được chế tạo bằng thép không từ tính sẽ tàng hình trước con mắt soi mói của hệ thống radar. Vật liệu của Poon và Shiflet vẫn tương đối giòn, song các nhà nghiên cứu khác đang đạt được tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực này. John đang chuẩn bị công bố một loại hợp kim dễ uốn, dựa trên đồng.

Những kim loại đắt tiền dùng để chế tạo thủy tinh kim loại cũng không thiếu đất dụng võ, đó là trong các lĩnh vực giải trí và công nghệ cao. Liquidmetal đang sản xuất các loại thủy tinh hợp kim dựa trên platin để làm thiết bị y tế, lưỡi dao và vợt tennis chuyên nghiệp. Còn các nhà khoa học ở Nhật Bản đã sử dụng thủy tinh kim loại để chế tạo một chiếc động cơ thu nhỏ. Độ bền của các loại thủy tinh là một điều kiện lý tưởng để chúng được sử dụng vào việc chế tạo các bộ phận máy bay và thân tàu. Bộ Quốc phòng Mỹ cũng đang xem xét sử dụng chúng thay thế urani trên mũi của các viên đạn xuyên áo giáp chống đạn. Liquidmetal cũng đã ký hợp đồng với Samsung để chế tạo các linh kiện điện thoại di động bằng thủy tinh kim loại.

Nguồn: vnexpress.net ngày 2/5/2005