Vật liệu "siêu trơn" giúp loại bỏ ma sát từ graphene và kim cương

Ma sát tồn tại khắp nơi xung quanh cuộc sống của chúng ta. Nếu không có ma sát, bạn sẽ không thể đứng được trên sàn nhà, chiếc bàn phím và máy tính cũng không nằm yên trên bàn cho bạn sử dụng...Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp, ma sát lại gây cản trở hoạt động của máy móc, làm gia tăng tốc độ ăn mòn...Vì vậy, tìm kiếm một loại vật liệu có thể loại trừ được ma sát là mối quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học.

• Những chất liệu thần kỳ khiến bạn "lác mắt"
  
• Siêu vật liệu biến hình từ rắn sang lỏng tức thì
• Phát minh mới về vật liệu cách nhiệt siêu mỏng

Vật liệu tổ hợp gần như không có ma sát

Bằng việc kết hợp giữa một lượng nhỏ kim cương, một bề mặt cacbon giống kim cương, và graphene, các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của bộ năng lượng Mỹ (US Department of Energy's Argonne National Laboratory) đã tạo ra một bước đột phá khi chế tạo thành công một loại vật liệu tổ hợp (combination material) với đặc tính “siêu trơn” (superlubricity) tức là gần như không có ma sát. Hứa hẹn các hiểu biết từ thành công này sẽ giúp tạo ra những cải thiện lớn cho các hệ thống cơ học như máy móc, tuabin...Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí danh tiếng Science.

Để hiểu rõ về nghiên cứu, chúng ta cùng tìm hiểu một chút về nguyên nhân của ma sát. Xét ở mức độ nguyên tử, ma sát hình thành bởi sự cản trở lẫn nhau của các nguyên tử trên hai bề mặt tiếp xúc, khiến cho việc trượt qua nhau trở nên khó khăn. Để dễ hình dung, bạn có thể tưởng tượng hai bề mặt tiếp xúc này phóng to giống như hai hộp đựng trứng bằng carton trượt trên nhau vậy (xem hình dưới).

Hai hộp đựng trứng carton trượt trên nhau​

Như vậy, muốn loại trừ ma sát, cần phải loại bỏ được hiệu ứng này. Để làm được điều đó, nhóm đã sử dụng ba thành phần quan trọng kết hợp lại với nhau gồm: các hạt nano kim cương, một bề mặt cacbon giống kim cương (diamond-like carbon surface - viết tắt là DLC) và các miếng graphene.

Tiếp theo, nhóm tiến hành quan sát sự tương tác của các tấm graphen với các hạt nano kim cương khi chúng cọ sát lên bề mặt DLC. Khi đó, graphene tự cuộn tròn quanh các hạt kim cương để tạo nên cấu trúc giống như quả bóng nhỏ xíu. Các nhà nghiên cứu gọi các cấu trúc này là các nanoscroll. Những nanoscroll này có thể thay đổi hướng trong suốt quá trình trượt, sẽ có tác dụng ngăn cản hai bề mặt tiếp xúc khỏi bị “khóa” lại với nhau khi trượt trên nhau. Điều này đồng nghĩa với việc ma sát khi đó sẽ bị loại bỏ. Bạn có thể hình dung một cách đơn giản quá trình này như việc bạn đặt các quả bóng đặc biệt vào giữa hai lớp vật liệu để giảm ma sát giữa chúng khi chúng di chuyển tương đối với nhau vậy.

Hình tính toán mô phỏng quá trình tạo thành các hạt nanoscroll​

Để mô phỏng khả năng hoạt động của các nanoscroll này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính để thực hiện các tính toán nguyên tử quy mô lớn (large-scale atomistic computations). Kết quả cho thấy, hiệu ứng này không chỉ thấy ở cấp độ nano mà còn hoạt động ở cấp độ vĩ mô, ít nhất là về lý thuyết.

Giản đồ của một thử nghiệm kiểm tra tính chất siêu trơn​

Tuy nhiên, một điểm trừ cho loại vật liệu này hiện tại là tính chất siêu trơn này lại chỉ được duy trì ở điều kiện khô ráo, trong môi trường ẩm ướt, nó không còn giữ được các đặc tính này nữa. Sử dụng các tính toán các nhà khoa học phát hiện ra nguyên nhân điều này xảy ra là do sự tồn tại của một lớp nước sẽ ngăn cản quá trình hình thành các quả bóng nanoscroll, khiến cho ma sát tăng lên.

Mô phỏng quá trình hình thành nanoscroll trong môi trường khô và ẩm. Các bạn có thể thấy trong môi trường ẩm, lớp nước ngăn cản các miếng graphene bao quanh các hạt nano kim cương do đó các nanoscroll không được hình thành. ​

Nói về ứng dụng và tầm quan trọng của nghiên cứu, nhóm nghiên cứu tin rằng phát hiện sẽ có ảnh hưởng lớn đối với lĩnh vực này. Sanket Deshmukh, đồng tác giả nghiên cứu cho biết “Các kiến thức thu được từ nghiên cứu này sẽ là rất quan trọng trong việc tìm kiếm những cách thức để giảm ma sát ở tất cả mọi thứ từ động cơ hay tua bin cho đến đĩa cứng máy tính và các hệ thống vi cơ điện tử”.