Vật liệu nhẹ nhất thế giới, nhẹ hơn cả không khí nay đã có thể in 3D

  •   44
  • 15.918

Việc có thể in 3D thành công sử dụng loại vật liệu nhẹ nhất thế giới - graphene aerogel hứa hẹn sẽ mở ra một chương mới cho ngành công nghiệp vật liệu.

Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới với trọng lượng nhẹ hơn gấp 7,5 lần so với không khí, 1 mét khối graphene aerogel cũng chỉ nặng chưa đầy 160 gram. Thậm chí, graphene aerogel nhẹ hơn loại vật liệu nhẹ thứ hai thế giới là aerographite tới 12%.

Có một câu hỏi rất hay đó là nếu nhẹ hơn không khí thì sao vật liệu này không thể bay? Đó là vì có nhiều khoảng trống giữa các phân tử của vật liệu này khiến cho không khí len lỏi vào được, giúp cho nó không bay lên.

Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới.
Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới.

Có một biệt danh khá hài hước là "khói đóng băng", aerogel là một dạng chất rắn có thể uốn dẻo, dẫn điện, chịu được lực nén và khả năng thấm hút tốt.

Cũng chính vì đặc tính kỳ lạ của loại vật liệu này nên các nhà khoa học đã khám phá ra được rất nhiều những ứng dụng tiềm năng từ áo choàng tàng hình cho đến dọn dẹp môi trường. Chỉ với 1 gram aerogel đã đủ hấp thụ một số loại nguyên vật liệu có trọng lượng gấp tới 900 lần trọng lượng của chúng như dầu. Một phương pháp hoàn toàn rẻ hơn so với thị trường.

Hiện nay trong nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, silica aerogel là dạng hình thù phổ biến nhất được sử dụng để nghiên cứu aerogel. Điểm khó ở loại vật liệu này chính là việc không dễ dàng sản xuất. Tuy nhiên các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu và tìm ra thành công cách in 3D loại vật liệu nhẹ nhất thế giới này.

Mới đây, các nhà khoa học đến từ ĐH. bang New York và ĐH. bang Kansas, Mỹ cho biết đã có thể in 3D vật liệu aerogel lần đầu tiên. Toàn bộ quá trình đều được điều khiển tự động và đồng đều trên mọi lớp vật liệu.

Một khối graphene aerogel có thể lơ lửng trên đám cỏ hay ngay cả trên đầu những bông hoa.
Một khối graphene aerogel có thể lơ lửng trên đám cỏ hay ngay cả trên đầu những bông hoa.

Bản thân aerogel là một lớp nguyên tử carbon tinh khiết, dày và có dạng hai chiều. Chúng xếp lại với nhau thành một mạng tổ ong hình lục giác. Để sản xuất graphene aerogel, các nhà nghiên cứu sẽ phải đóng băng lớp graphene và xếp chúng thành một cấu trúc 3 chiều.

Theo ScienceAlert nhận định, việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo thành công graphene aerogel lần đầu tiên cho thấy những nỗ lực đáng ghi nhận của các nhà nghiên cứu. Bởi lẽ cấu trúc phân tử của graphene aerogel vốn được nhận định rất khó để có thể in 3D.

Nhà nghiên cứu Akshat Rathi trong nhóm in 3D thành công graphene aerogel cho biết:

"Thông thường để in 3D graphene aerogel, vật liệu chính sẽ được trộn với các thành phần khác, ví dụ như polymer để có thể in phun trên máy in. Khi cấu trúc đã được định hình, polymer sẽ được tách riêng ra khỏi vật liệu chính sau một quá trình hóa học khác. Tuy vậy đối với trường hợp của aerogel, cách làm này có thể phá hủy cấu trúc tinh thể của aerogel".

Giải pháp được nhóm nghiên cứu đưa ra chính là graphene oxit - một dạng graphene kết hợp cùng phân tử oxy. Nhóm đã tiến hành pha trộn hợp chất này với nước và đặt trên một bề mặt được làm lạnh tới -25 độ C. Ở nhiệt độ này, các nhà nghiên cứu đã có thể ngay lập tức đóng băng từng lớp graphene riêng biệt và tạo nên cấu trúc graphene ba chiều.


Quy trình in 3D loại vật liệu nhẹ nhất thế giới - graphene aerogel.

Rathi cũng cho biết thêm, sau khi quá trình tạo cấu trúc 3D hoàn tất, họ sẽ tiến hành tách bỏ các khối băng bủa vây xung quanh bằng cách sử dụng nitơ lỏng để đông khô nước và tách ra khỏi bề mặt vật thể mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc.

Lớp vật liệu aerogel với cấu trúc 3D sẽ tiếp tục được tác dụng với nhiệt nhằm tách nguyên tử oxy. Kết quả thu lại sẽ chỉ còn graphene aerogel. Theo Rathi khẳng định: "chất rắn thu được sẽ có mật độ thay đổi khác nhau từ 0,5kg/m3 cho tới 10kg/m3. Graphene aerogel nhẹ nhất từng được sản xuất thành công có trọng lượng khoảng 0,16kg/m3".

Sự ra đời của Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của mình Charles Learned rằng "có tồn tại một loại gel không lỏng". Tất nhiên, không một ai tin điều ông nói là đúng. Vì đặc tính lỏng vốn là đặc tính cố hữu của gel được biết đến trong một thời gian dài trước đó.

Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tưởng ra nó. Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí, và đặt tên cho nó là "Aerogel". Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature.

Aerogel tạo ra chất cách điện tuyệt vời vì chúng gần như vô hiệu hóa hai trong ba phương pháp truyền nhiệt - dẫn (chúng hầu như được cấu tạo hoàn toàn bởi các chất khí cách nhiệt là chất dẫn nhiệt rất kém) và đối lưu (cấu trúc vi mô của chúng ngăn cản sự chuyển động của khí ròng). Aerogel thậm chí có thể có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của chất khí mà chúng chứa - một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Knudsen.

Mặc dù rất nhẹ nhưng một vật làm bằng Aerogel có khả năng "cõng" một vật khác có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó. Khi mới xuất hiện, Aerogel được ứng dụng ở trong mọi lĩnh vực mà con người có thể tưởng tượng ra, từ các sản phẩm trang điểm dành cho phụ nữ cho đến những thứ lãng mạn hơn như làm sơn cho...bom napan. Chúng cũng được sử dụng trong các đầu lọc thuốc lá hay bộ phận cách nhiệt cho tủ lạnh. Hiện tại, Aerogel có thể được tìm thấy trong các lĩnh vực như: Sản xuất đồ bơi; Quần áo dành cho lính cứu hỏa; Cửa kính; Tên lửa; Sơn; Mỹ phẩm; Vũ khí hạt nhân.....

Cập nhật: 13/10/2022 Tổng Hợp
  • 44
  • 15.918

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook