Kim loại là một vật liệu xây dựng tốt, vì nó rất cứng, nhưng nhược điểm là quá nặng. Gỗ nhẹ hơn, nhưng không cứng bằng. Với xuất phát điểm này, các nhà khoa học đã chế tạo ra một loại “gỗ kim loại” từ niken, cứng như titan, nhưng lại nhẹ hơn tới 5 lần.
Một mẩu “gỗ kim loại” dưới kính hiển vi. (Ảnh: ĐH Pennsylvania).
Ai cũng biết rằng thép rất cứng. Nhờ đặc tính này, kết hợp với việc dễ sản xuất và giá thành hợp lý, thép xuất hiện ở khắp nơi trong cuộc sống thường nhật của con người hiện đại chúng ta.
Tuy vậy, thép cùng một số kim loại phổ thông khác không cứng như chúng ta vẫn tưởng. Lý do là vì cách sắp xếp các nguyên tử của chúng chưa phải là tối ưu. Mặc dù kiểu kết cấu kim loại giúp thép, nhôm hay titan cứng và có thể uốn được, nhưng chỉ cần lực tác động vào đúng chỗ và với thời gian đủ dài, kết cấu sắp xếp các nguyên tử kim loại sẽ bị xê dịch và giảm sút đáng kể độ cứng cáp của chúng. Lấy titan làm ví dụ, kim loại này sẽ cứng hơn 10 lần nếu chúng có kết cấu sắp xếp nguyên tử lý tưởng.
Trái lại, gỗ có cách sắp xếp nguyên tử rất lý tưởng. Thành phần chính của gỗ là cellulose, về bản chất chỉ là một loại bột mềm. Nhưng với sự sắp xếp kỳ diệu của Mẹ thiên nhiên, thứ bột nhão nhoét vô dụng ấy lại biến thành những phiến gỗ vừa chắc chắn vừa nhẹ. Và thực tế thì gỗ là một trong những vật liệu xây dựng chính của con người từ xưa tới nay.
Thép cứng hơn gỗ chỉ vì thép đặc hơn mà thôi.
Lấy cảm hứng từ cách sắp xếp các phân tử gỗ, các nhà khoa học đến từ Ngành Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng trường Đại học Pennsylvania, trường Đại học Illinois ở Urbana–Champaign, và trường Đại học Cambridge, đã tiến hành một nghiên cứu để xem có thể sắp xếp lại các nguyên tử kim loại theo kết cấu dạng lỗ rỗng của gỗ được hay không.
Trên thực tế, ý tưởng này đã từng được hiện thực trong quá khứ. Có người biến kim loại nóng chảy thành dạng bọt, nhưng thứ bọt kim loại này quá thô lậu không thể đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện đại. Có người sử dụng công nghệ in 3D với độ chính xác ở cấp độ nano để in ra thứ kim loại có cấu trúc của gỗ từng chút từng chút một. Nhưng quá trình này quá mất thời gian và không thể áp dụng trên quy mô công nghiệp.
Nghiên cứu mới của nhóm tác giả này không đi theo hai con đường kể trên. James Pikul, giáo sư trợ giảng tại Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí và Cơ khí Ứng dụng tại Khoa Kỹ thuật trường Đại học Pennsylvania, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Lý do chúng tôi gọi nó là gỗ kim loại không chỉ vì khối lượng riêng, tương đương với gỗ, mà còn là vì bản chất giống với cellulose của nó. Các vật liệu cellulose có cấu trúc dạng lỗ rỗng; nếu bạn phóng to các hạt gỗ lên, các bạn sẽ thấy – phần dày, đặc có nhiệm vụ giữ ổn định cho cả kết cấu, còn phần rỗng thì phục vụ các chức năng sinh học, như trao đổi chất giữa các tế bào.”
“Cấu trúc (thứ gỗ kim loại này) của chúng tôi cũng tương tự. Chúng tôi có những khu vực đặc và dày gồm các kim loại cứng, còn các khu vực khác rỗng chứa không khí.”
Cách làm của các nhà khoa học này như sau:
(Ảnh: ĐH Pennsylvania).
Đầu tiên, họ cho các quả cầu nhựa có kích thước vài trăm nanomet vào lơ lửng trong nước. Nước sau đó bay hơi, và các quả cầu biến thành dạng tinh thể có cấu trúc hình học rất tinh xảo.
Sau đó người ta sử dụng công nghệ mạ điện dùng một lớp crôm mỏng và thế là khoảng trống giữa các quả cầu được điền đầy các phân tử niken.
Nhựa sau đó bị dung môi hòa tan, và thứ còn lại là mạng lưới các thanh chống kim loại với độ rỗng khoảng 70% – khiến nó đủ nhẹ để nổi lên trên mặt nước.
Thành phầm thử nghiệm hiện nay là một phiến kim loại mỏng có diện tích khoảng 1 cm2.
(Ảnh: ĐH Pennsylvania)
Giá thành chế tạo cũng rất đắt đỏ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang tìm cách phát triển một hệ thống thiết bị cho phép sản xuất số lượng lớn, giúp giảm giá thành sản phẩm. Ngoài ra, người ta cũng phải kiểm tra xem các đặc tính cơ lý của của thứ kim loại mới này ra sao, ví như nó sẽ bị mẻ hay bị vỡ vụn ra dưới tác động của cường lực hay không.
Một điểm thú vị khác là các khoảng rỗng bên trong gỗ kim loại có thể dùng để điền đầy vật liệu khác. Ví dụ như một vật liệu nào đó có tác dụng như một viên pin chẳng hạn, giúp “gỗ kim loại” vừa cứng vừa tự cung cấp năng lượng cho thiết bị.
Nghiên cứu này được đăng trên Nature Scientific Reports.