Góc nhìn toàn cảnh về vật liệu tự phục hồi

Chúng ta có thể vẫn nghĩ viễn cảnh máy móc tự sửa chữa có vẻ giống như trong các bộ phim viễn tưởng.

Tuy nhiên trên thực tế, các kỹ sư vật liệu đã và đang phát triển các công nghệ một cách rất nghiêm túc để có thể sớm biến điều “viển vông” này trở thành hiện thực.

1. Vật liệu tự phục hồi hoạt động như thế nào?

Phương pháp phổ biến nhất để tạo ra một loại vật liệu có thể tự “chữa lành” là “nhúng” các viên nang chứa chất phục hồi vào bên trong vật liệu đó.

Khi vật liệu bị hư hỏng, các viên nang sẽ vỡ ra và giải phóng các chất phục hồi vật liệu. Tuy nhiên, kích thước viên nang là rất quan trọng, vì nếu quá lớn sẽ khiến kết cấu vật liệu yếu đi.

Ngoài ra, chúng chỉ có thể được sử dụng một lần, vì vậy công nghệ này là không lý tưởng để áp dụng lên các vật liệu có khả năng bị hư hỏng liên tục.

Theo đó, một loại vật liệu tự phục hồi đã được tạo ra. Chúng hoạt động thông qua mạng lưới mạch máu, tương tự như các đường gân trên lá. Khi có vết nứt, chất phục hồi sẽ chảy qua mạng lưới mạch máu này để trám lại vết nứt.

Điều này đã được chứng minh là có hiệu quả, nhưng tốc độ sửa chữa vật liệu còn khá chậm.

Đối với lĩnh vực xe hơi, vấn đề thách thức chủ yếu là độ khó khi tạo ra kim loại có các đặc tính tự phục hồi. Nhiều bộ phận của xe được làm bằng kim loại, mà kim loại thì có liên kết hóa học khá vững chắc.

Điều này khiến việc tạo ra một loại kim loại tự phục hồi là rất khó. Do đó, các kỹ sư thường tập trung nghiên cứu nhiều hơn về vật liệu polyme.

Những nghiên cứu về polyme tự phục hồi cũng đã mang lại kết quả đột phá. Hiện nay, trên thế giới đã có một loại polyme thông minh có thể phục hồi lại các đặc tính nguyên bản của nó ngay sau khi bị hư hỏng.

Các nhà khoa học vật liệu gọi chúng là polyme nội tại (intrinsic polymer). Loại polyme này có các liên kết hóa học tái tạo (reversible), nhờ đó có thể tự phục hồi tình trạng ban đầu mà không cần đến các tác động từ bên ngoài.

2. Ứng dụng của vật liệu tự phục hồi

Từ sự phát triển ban đầu đầy hứa hẹn này, các nhà sản xuất sẽ phải tiếp tục làm việc để chúng không chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm. Do vậy, nhiều nhà nghiên cứu đang đi tìm các ứng dụng thực tiễn dành cho vật liệu tự phục hồi.

Cụ thể, họ đang xem xét tiềm năng của các lớp phủ tự phục hồi trong các lĩnh vực thám hiểm không gian và biển sâu. Một lớp phủ với vật liệu tự phục hồi sẽ làm giảm đáng kể công sức và chi phí bảo trì trang thiết bị thám hiểm tại những khu vực hiểm trở.

Nếu thành công trong lĩnh vực này, vật liệu tự phục hồi có thể sẽ được cung cấp rộng rãi ở các lĩnh vực khác. Một số loại lớp phủ đang được thiết kế để có khả năng chống ăn mòn, trong khi những loại khác lại có khả năng chống xước.

Rõ ràng, những tính năng này rất hữu ích cho các hoạt động du lịch thám hiểm. Bên cạnh đó, chúng cũng sẽ có lợi cho các phương tiện hoạt động trong điều kiện ít khắc nghiệt hơn như phương tiện giao thông vận tải.

Hiện nay, phục hồi sơn là một trong những hạng mục có chi phí cao trong quá trình bảo dưỡng xe.

Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra một loại sơn dựa trên lớp phủ polyme tự phục hồi, chịu được các vết xước nhỏ và chống lại sự ăn mòn. Từ đó, người dùng sẽ giảm được đáng kể chi phí.

Bên cạnh sơn tự phục hồi, các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard cũng đã phát triển một loại cao su dẻo, bền và cũng có khả năng tự phục hồi. Cụ thể, họ đã “bện” các liên kết cộng hóa trị và liên kết tái tạo với nhau thành một sợi dây phân tử (molecular rope).

Kết quả cho ra một loại cao su trong suốt tự chữa lành “vết thương” bằng cách phân phối ứng suất (stress) lên toàn bộ vật liệu.

Cao su tự phục hồi có nhiều ứng dụng thực tế tiềm năng. Chúng có thể làm dây cao su siêu bền (không bao giờ bị đứt) và lốp xe.

Lốp làm bằng loại cao su này có thể chịu được áp lực cao và có tuổi thọ dài hơn những loại lốp thông thường (ngay cả trong môi trường khắc nghiệt). Thậm chí khi lốp xe tự phục hồi bị thủng, người dùng không cần phải thay lốp ngay lập tức.

Bên cạnh xe hơi, các nhà nghiên cứu cũng nhìn rộng hơn về việc sử dụng các vật liệu tự phục hồi trong thực tế. Ví dụ, bề mặt đường sá thường bị bỏ qua khi nghiên cứu những cải tiến trong khoa học vật liệu.

Tuy nhiên, với những phát triển gần đây, mặt đường cũng sẽ có thể tự phục hồi như xe hơi trong tương lai.

Mới đây, các nhà khoa học đã cấp bằng sáng chế cho một loại bê tông tự phục hồi của nhà sáng chế Hendrik Marius Jonkers (hiện đang làm việc cho Tổ chức Đại học Công nghệ Delft).

Ông là người đã giới thiệu loại bê tông có chứa các vi khuẩn có khả năng tạo ra đá vôi, từ đó cho khả năng tự trám mặt đường.

Với phát minh này, những con đường trong tương lai sẽ có khả năng tự lấp ổ gà. Vào năm 2020, chi phí sửa chữa các ổ gà tại Anh ước tính lên đến 1.84 tỷ USD.

Vì thế, việc phát triển một con đường có khả năng tự phục hồi không chỉ giúp mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà hơn mà còn có thể giảm chi phí sửa chữa xe, đồng thời kéo dài tuổi thọ mặt đường.

3. Kết luận

Có thể nói, trong lĩnh vực vật liệu tự phục hồi, nền khoa học hiện đại đang cố gắng hết sức để bắt kịp những điều viễn tưởng. Tuy nhiên, khi áp dụng vào thực tế, các kỹ sư thiết kế cần lựa chọn vật liệu có tính thực tiễn và phù hợp nhất với nhu cầu dự án của họ.

Ví dụ, vật liệu polyamide như ForTii 11 cung cấp độ dẻo dai tối ưu cho các bộ phận điện trên xe hơi. Vật liệu này có chứa các chất chống cháy và hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt.

Từ đó, chúng giảm thiểu rủi ro nứt vỡ và cải thiện độ bền của sản phẩm khi bị lão hóa do sốc nhiệt.

Những chiếc xe tự sửa chữa vẫn còn là một dự án tiềm năng trong tương lai. Tuy nhiên, sẽ không có gì là lạ khi trong vài thập kỷ tới, những chiếc xe chống xước hoặc có thể tự sửa chữa sẽ xuất hiện trên khắp các cung đường.