Các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra kim loại siêu cứng.
Độ cứng của vật liệu từ trước tới nay mô tả cụ thể mức độ chống lại sự trầy xước hoặc bẻ cong hình dạng của vật liệu bởi lực hoặc áp lực. Đối với kim loại, nó thường được xác định bởi kích thước của các hạt siêu nhỏ tạo nên nó – hạt càng nhỏ, kim loại càng cứng.
Thông thường, kim loại được làm cho cứng hơn bằng cách sử dụng các phương pháp sản xuất vĩ mô như đập bằng búa, uốn hoặc xoắn. Nhưng trong nghiên cứu mới tại Đại học Brown (thành viên của Ivy League – Mỹ), nhóm nghiên cứu đã bắt đầu “từ dưới lên“, tìm ra quy trình rèn mới giúp kim loại cứng hơn nhiều lần.
“Dùng búa và các phương pháp làm cứng khác đều là những cách thay đổi cấu trúc hạt từ trên xuống dưới và rất khó để kiểm soát kích thước hạt mà bạn đạt được”, Ou Chen, tác giả nghiên cứu cho biết. “Những gì chúng tôi đã làm là tạo ra các “khối” dạng hạt nano kết hợp với nhau khi chèn ép chúng. Bằng cách này, chúng tôi có thể có các kích thước hạt đồng nhất, có thể được điều chỉnh chính xác để nâng cao các đặc tính”.
Một “đồng xu” vàng siêu cứng được tạo ra bằng quy trình sản xuất mới.
Tuy nhiên, vấn đề là bề mặt của kim loại thường được bao phủ bởi các phân tử hữu cơ được gọi là phối tử, có thể ngăn các hạt kim loại liên kết mạnh mẽ. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp xử lý hóa học có thể loại bỏ các phối tử này, để các hạt nano kim loại tự do kết hợp với nhau dễ dàng hơn thông qua quá trình thiêu kết. Thiêu kết là quá trình nén vật liệu để tạo thành một khối rắn bằng nhiệt hoặc áp suất mà không nung chảy nó đến điểm hóa lỏng.
Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những “đồng xu” thô từ các hạt nano của các kim loại khác nhau, chẳng hạn như vàng, bạc và palladium. Trong các thử nghiệm, chúng tỏ ra cứng hơn nhiều so với bình thường, với những đồng tiền vàng trở nên cứng gấp 4 lần. Các tính chất vật lý khác lại ít nhiều không thay đổi.
Trong một thử nghiệm khác, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại thủy tinh kim loại bằng kỹ thuật mới này. Giống như những chiếc kính mà chúng ta quen thuộc, những vật liệu này có cấu trúc tinh thể vô định hình, có thể khiến chúng dễ tạo khuôn hơn và có khả năng bền hơn các kim loại thông thường.
“Chế tạo thủy tinh kim loại từ một thành phần vốn rất khó làm, vì vậy hầu hết các loại thủy tinh kim loại đều là hợp kim”, giáo sư Chen cho biết. “Nhưng chúng tôi đã có thể bắt đầu với các hạt nano paladi vô định hình và sử dụng kỹ thuật của chúng tôi để tạo ra thủy tinh kim loại paladi”.
Ở quy mô sản xuất hiện tại là centimet, các nhà nghiên cứu cho biết quá trình này có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ siêu cứng, điện cực hoặc các thành phần kim loại khác. Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, việc mở rộng quy mô lên các hạng mục lớn hơn cũng tương đối đơn giản, bởi vì các thiết bị công nghiệp hiện tại có thể chịu được mức độ áp suất này.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Chem.