Hợp kim kết tinh nano có thể chịu nhiệt cao

Sử dụng một kết hợp gồm các thí nghiệm và mô phỏng nhiệt động lực học phân tích, các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa tạo ra một hợp kim kết tinh nano gốc tungsten mới bền ở nhiệt độ hơn 1000^oC. Các hợp kim kết tinh nano hiếm khi chịu được những nhiệt độ cao như vậy và đột phá này có thể dẫn tới sự phát triển của những chất liệu vừa bền vừa chịu nhiệt cao.

Sau một tuần ở 1100^oC, tungsten kết tinh nano (trái) mất đi cấu trúc hạt nano của nó và kết thành cỡ micron (ảnh trên bên phải). Bằng cách pha với titanium, tungsten có thể giữ được kích cỡ hạt kết tinh nano dưới những điều kiện tương đương (ảnh dưới bên phải). (Ảnh: T Chookajorn, H Murdoch và C Schuh)

Các kim loại gồm những hạt kết tinh nano – những tinh thể nhỏ xíu chừng hàng chục nano mét bề ngang – cứng hơn nhiều so với các kim loại chứa những cấu trúc lớn hơn cỡ micron. Thật không may, những chất liệu kết tinh nano này cũng kém bền hơn. Một vấn đề là những hạt nhỏ xíu đó có thể lớn lên và hợp nhất với nhau ở những nhiệt độ cao – do đó làm kim loại mềm đi. Đây không phải là hiện tượng đáng hoan nghênh, vì trong quá trình luyện kim loại người ta thường sử dụng nhiệt độ cao. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã cố gắng nghĩ ra những phương pháp tránh sự tăng kích cỡ hạt không mong muốn như thế, nhưng chưa có giải pháp thỏa mãn nào được tìm thấy.
Nay một đội tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đứng đầu là Christopher Schuh có lẽ đã đi tới một giải pháp. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo những hợp kim chứa những tinh thể nano không kết khối ở nhiệt độ cao. “Phương pháp thiết kế của chúng tôi dựa trên việc tính toán năng lượng của tất cả các nguyên tử/liên kết trong một hợp kim cho trước, bao gồm những nguyên tử trong môi trường tinh thể và những nguyên tử nằm tại ranh giới hạt, giữa các tinh thể,” Schuh giải thích. “Chúng tôi tính riêng những hiệu ứng mà những nguyên tố khác nhau trong hợp kim có trên năng lượng của cấu trúc, và tìm cách nhận ra những nguyên tố nào có thể làm ổn định các ranh giới hạt và vì thế dẫn tới và duy trì trạng thái kết tinh nano.”
Ngành công nghiệp đã và đang cố gắng chế tạo ra những hợp kim có những hạt kết tinh ngày một nhỏ hơn, nhưng tự nhiên vẫn nghiêng về những trạng thái năng lượng thấp, nghĩa là nghiêng về những tinh thể lớn hơn.
Từ những tính toán của họ, đội nghiên cứu MIT đã tổng hợp thành công các hợp kim được thiết kế sử dụng những kết hợp thích hợp của những kim loại khác nhau với những tỉ lệ được xác định trước. Các nhà nghiên cứu còn khảo sát những hỗn hợp kim loại thường không được tìm thấy chung với nhau và chưa từng được tạo ra trước đây, cho dù là trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, trong nghiên cứu sơ bộ này về các hợp kim tungsten, họ đã xét những kết hợp của 12 nguyên tố khác nhau, bao gồm titanium, chromium, đồng, bạc và tám nguyên tố khác. “Các phương pháp thông thường thiết kế hợp kim thường không tính đến các ranh giới hạt mà tập trung vào chỗ các kim loại khác nhau tương thích như thế nào,” Schuh giải thích. “Tuy nhiên, các ranh giới hạt lại là cái then chốt trong việc tạo ra các tinh thể nano bền, nên chúng tôi quyết định xét đến những ranh giới này trong các tính toán của mình.”
Một hợp kim đặc biệt xây dựng trên tungsten và titanium do đội nghiên cứu tạo ra có các hạt titanium kích cỡ chỉ 20 nm. Họ nhận thấy nó vẫn bền trong một tuần ở nhiệt độ cao đến 1100^oC và giữ vững độ cứng ngoại hạng của nó trong suốt thời gian này. Do đó, người ta có thể sử dụng nó trong những ứng dụng trong đó cần đến sự chịu nhiệt cao, ví dụ như trong ngành công nghiệp chế tạo máy hoặc xe bọc thép.
“Phương pháp luận mà chúng tôi phát triển trong nghiên cứu của mình có thể dễ dàng khai thác để tạo ra những chất liệu cấu trúc nano mới khác có chất lượng tương đương hoặc thậm chí cứng hơn và bền hơn, và còn có những tính chất đáng khao khát khác như chóng bào mòn,” Schuh nói. “Việc tìm ra những hợp kim như vậy sẽ gần như là không thể bởi những phương pháp thử-sai thông thường nhưng chúng tôi có thể tính được những kết hợp kim loại nào là hiệu quả và những kết hợp nào là không,” phát biểu của Heather Murdoch và Tongjai Chookajorn, hai thành viên khác của đội MIT.
Đội nghiên cứu hiện đang tích cực phân tích chi tiết xem làm thế nào có thể mở rộng phương pháp lí thuyết của họ cho nhiều hợp kim và cấu trúc khác.
Tham khảo: http://www.sciencemag.org/content/337/6097/951.abstract