Nhẹ hơn nhưng bền hơn thép: Bí mật của những vật liệu siêu bền vững

Thép được dùng để xây cầu, chế tạo máy móc, đóng tàu và dựng nên những tòa nhà chọc trời. Thế nhưng, nếu so sánh theo độ bền kéo, trọng lượng hoặc khả năng chống trầy xước, thép không phải lúc nào cũng đứng đầu. Điều thú vị là một số vật liệu vượt trội ấy có thể đến từ sợi tơ của sinh vật nhỏ bé, hoặc chỉ tồn tại dưới dạng cấu trúc siêu nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Ảnh: education.theiet.org

Một ví dụ đáng kinh ngạc là tơ nhện. Sợi tơ kéo từ một số loài nhện có độ bền kéo tương đương hoặc cao hơn nhiều loại thép cường độ cao khi xét theo khối lượng, đồng thời có khả năng co giãn và hấp thụ năng lượng đáng kể trước khi đứt. Bí mật nằm ở cấu trúc protein nhiều tầng, kết hợp những vùng có trật tự với những vùng linh hoạt. Tuy nhiên, không phải mọi loại tơ nhện đều giống nhau và việc sản xuất hàng loạt vẫn là thách thức lớn.

Ảnh: jhcomposites.com

Kevlar, loại sợi aramid nổi tiếng, lại cho thấy sức mạnh không nhất thiết phải đến từ kim loại. Với độ bền kéo cao và khối lượng thấp, Kevlar được sử dụng trong áo chống đạn, mũ bảo hộ, dây cáp và nhiều thiết bị công nghiệp. Một số loại sợi Kevlar có độ bền kéo cao hơn thép thông thường tính trên cùng tiết diện, nhưng chúng có đặc tính chịu nhiệt, chịu nén và chống hư hại khác kim loại. Vì thế, Kevlar không thể thay thế thép trong mọi ứng dụng.

Ảnh: nist.gov

Ở thế giới nano, ống nano carbon còn gây kinh ngạc hơn. Các nguyên tử carbon liên kết thành những cấu trúc hình ống cực nhỏ, tạo nên vật liệu có độ bền và độ cứng rất cao so với trọng lượng. Trong điều kiện phù hợp, một số mẫu ống nano có độ bền kéo vượt xa thép. Tuy nhiên, đưa những tính chất lý tưởng ấy vào một sợi vật liệu lớn, đồng nhất và sản xuất với chi phí hợp lý vẫn là bài toán khó.

Một vật liệu khác thường được nhắc đến là sợi carbon. Được tạo thành từ những sợi chứa phần lớn nguyên tố carbon, vật liệu này có tỷ lệ độ bền trên khối lượng rất cao, nên xuất hiện trong máy bay, xe đua, xe đạp thể thao và thiết bị vũ trụ. Nhưng sợi carbon có thể giòn, dễ hư hại khi chịu va đập theo một số hướng và thường cần kết hợp với nhựa để tạo thành vật liệu composite hữu dụng.

Cuối cùng, gốm kỹ thuật như carbide silic và carbide bo nổi bật nhờ độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và ứng dụng trong một số loại giáp bảo vệ. Tuy nhiên, độ cứng không đồng nghĩa với độ bền kéo: gốm có thể chống trầy xước rất tốt nhưng lại dễ nứt vỡ khi chịu va đập hoặc ứng suất kéo không phù hợp.

Vì vậy, câu hỏi “vật liệu nào mạnh hơn thép?” không có một đáp án duy nhất. Có vật liệu chịu lực kéo tốt hơn, có loại nhẹ hơn nhiều, có loại cứng hơn, còn loại khác hấp thụ va đập hiệu quả hơn. Tương lai của kỹ thuật có lẽ không nằm ở việc tìm ra một vật liệu ưu việt mọi mặt, mà ở việc kết hợp chúng để tạo nên những cấu trúc vừa nhẹ, vừa bền, vừa phù hợp với nhiệm vụ cụ thể.

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước.