Bí mật đằng sau hợp kim có độ bền gấp đôi thép

Phát triển các loại hợp kim có độ bền cao hơn luôn là mục tiêu quan trọng của ngành khoa học vật liệu. Tuy nhiên, phần lớn hợp kim hiện nay được tạo ra thông qua các quy trình luyện kim đòi hỏi nhiệt độ rất cao.

Một nghiên cứu mới từ Đại học Monash (Australia) cho thấy có thể tồn tại một hướng đi khác hiệu quả hơn, đó là: Khai thác khả năng tự sắp xếp của các nguyên tử để hình thành những cấu trúc vật liệu có độ bền vượt trội.

Trong nghiên cứu vừa công bố trên Tạp chí Science, nhóm tác giả đã chế tạo thành công một loại hợp kim entropy cao chịu nhiệt (Refractory High-Entropy Alloy - RHEA) ở dạng khối lớn với độ bền nén vượt 2 gigapascal (GPa), khoảng gấp đôi thép thông thường.

Hợp kim mới được cấu thành từ 5 nguyên tố kim loại gồm: Titan, hafni, tantali, niobi và zirconi. Đây đều là những vật liệu có khả năng chịu nhiệt và chịu tải tốt, thường được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật đòi hỏi hiệu năng cao.

Điểm đột phá của nghiên cứu không nằm ở thành phần hóa học mà ở cách chế tạo. Thay vì nung chảy hoàn toàn các kim loại như quy trình luyện kim truyền thống, nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp gia nhiệt chậm ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể.

Trong điều kiện đó, các nguyên tử tự sắp xếp thành một cấu trúc liên kết ổn định với mật độ khuyết tật rất thấp.

Theo GS. Jian-Feng Nie, đồng tác giả của nghiên cứu, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát được hiện tượng các nguyên tử tự tổ chức thành cấu trúc gần như không có khuyết tật trong một khối kim loại kích thước lớn.

Trước đây, những cấu trúc như vậy thường chỉ xuất hiện trong các màng mỏng hoặc các mẫu vật liệu có kích thước rất nhỏ.

Đáng chú ý, hợp kim mới này không chỉ bền mà còn có tính dẻo tương đối tốt. Đây là đặc tính hiếm gặp bởi trong nhiều trường hợp, độ bền và độ dẻo thường có xu hướng đối nghịch nhau.

Vật liệu càng cứng và chịu lực tốt thì càng dễ trở nên giòn, trong khi vật liệu dẻo hơn lại thường giảm khả năng chịu tải.

Theo nhóm nghiên cứu, ý nghĩa của công trình không chỉ giới hạn ở riêng loại hợp kim mới được phát triển, những hiểu biết mới về cơ chế tự tổ chức của nguyên tử có thể thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu phục vụ ngành hàng không vũ trụ, năng lượng và sản xuất tiên tiến.

Kết quả nghiên cứu cho thấy tương lai của ngành vật liệu có thể không chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn các nguyên tố phù hợp, mà còn nằm ở khả năng điều khiển cách các nguyên tử tự sắp xếp để tạo nên những cấu trúc hoàn toàn mới.

Đây được xem là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn trong phát triển thế hệ vật liệu hiệu suất cao tiếp theo./.