Tìm ra hợp kim siêu bền dẻo ở nhiệt độ thấp, hứa hẹn là nguyên liệu trải đường cho du hành không gian

Hợp kim được đề cập có chứa crom, coban và niken (CrCoNi) và nó thuộc về một loại vật liệu mới được gọi là hợp kim entropy cao (HEA). Trong khi hầu hết các hợp kim thông thường được tạo thành từ một nguyên tố chính chiếm ưu thế cùng với một lượng nhỏ các nguyên tố khác được thêm vào, thì HEA lại chứa một lượng bằng nhau của mỗi nguyên tố cấu thành. Điều này có thể mang lại cho chúng một số đặc tính ấn tượng, chẳng hạn như tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, mô đun đàn hồi tăng theo nhiệt độ hoặc độ bền và độ dẻo cực lớn.

Trong nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng CrCoNi có thể thể hiện độ bền và độ dẻo dai cao ở nhiệt độ thấp, khoảng -196 °C. Nhưng trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ, đã phát hiện ra cách nó có thể giữ được các đặc tính ở nhiệt độ thậm chí còn lạnh hơn, vào khoảng -253 °C. Để so sánh thì đây là nhiệt độ mà nguyên tố helium (bình thường ở thể khí) sẽ tồn tại dưới dạng lỏng.

Hình ảnh chụp từ kính hiển vi về cấu trúc tinh thể của hợp kim crom, coban và niken, và cách nó ngăn chặn các vết nứt (vùng tối) lan rộng bằng sự hỗn loạn của mình.

“Độ dẻo dai của vật liệu này ở gần nhiệt độ helium hóa lỏng cao tới 500 megapascal”, Robert Ritchie, đồng trưởng nhóm nghiên cứu cho biết. “Trong cùng một đơn vị, độ dẻo dai của một miếng silicon là một, nhôm làm khung máy bay chở khách là khoảng 35 và độ dẻo dai của một số loại thép tốt nhất là khoảng 100. Vì vậy, 500, đó là một con số đáng kinh ngạc.”

Nhưng một vấn đề quan trọng hơn, đó là thông thường các vật liệu sẽ trở nên giòn hơn ở nhiệt độ lạnh. Vì vậy nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu xem làm thế nào CrCoNi có thể giữ độ bền tốt ở nhiệt độ thấp như vậy. Họ đã sử dụng một số loại kính hiển vi đặc biệt để thăm dò cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim dưới tác dụng của lực.

Hóa ra, CrCoNi có được độ dẻo dai tuyệt vời nhờ một loạt các tương tác nguyên tử xảy ra theo một trình tự cụ thể. Và chính sự không hoàn hảo khi các tinh thể bị dịch chuyển bởi lực tác dụng đã khiến chúng tự tạo ra các chướng ngại vật có tác dụng tăng khả năng chống lại lực đó.

Hình ảnh kính hiển vi về cấu trúc tinh thể của hợp kim CrCoNi, cũng như thử nghiệm biến thể với mangan và sắt (CrMnFeCoNi)

Nhóm nghiên cứu cho biết tính dẻo dai của vật liệu này khi đối mặt với nhiệt độ cực lạnh có thể khiến nó trở nên vô cùng hữu ích để chế tạo các phương tiện hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, ví dụ như các tàu vũ trụ để thực hiện những chuyến hành trình vào không gian sâu.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học (Science).

Tham khảo Science, NewAtlas

Bảo Nam