Siêu vật liệu lấy cảm hứng từ mạng lưới chịu va đập tốt hơn
· Ban biên tập BehindLines
Các kỹ sư tại MIT và Northeastern University đã thiết kế những vật liệu có cấu trúc bên trong là một mạng lưới không trật tự gồm các thanh có kích thước rất khác nhau, thay vì một hoa văn lặp lại giống hệt. Theo thông cáo của MIT, các "siêu vật liệu giàu thang đo" này hấp thụ va đập tốt hơn các phiên bản có trật tự thông thường. Nghiên cứu được công bố ngày 11/11 trên tạp chí Nature.
Phá vỡ sự lặp lại
Trong siêu vật liệu, chính cấu trúc bên trong mang lại cho vật liệu những tính chất đặc biệt. Cho đến nay, người ta thường lặp lại một ô cơ bản, như mạng vuông hay tổ ong. Carlos Portela, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT, giải thích rằng các mẫu đồng nhất như vậy có giới hạn: nếu một vùng bị đâm thủng hoặc nứt, các ô lân cận giống hệt sẽ biến dạng theo cùng cách và toàn bộ nhanh chóng hỏng.
Nhóm nghiên cứu quay sang khoa học mạng, ngành mô tả mọi thứ từ mạch thần kinh đến internet, cùng nhà vật lý Albert-László Barabási của Northeastern. Một thuật toán vẽ các đường thẳng ở góc và vị trí ngẫu nhiên, ngày càng ngắn và mảnh. Chỉ hai tham số, độ dày ban đầu và tốc độ giảm của nó, đã đủ tạo ra nhiều loại mạng và điều chỉnh độ cứng.
Các thử nghiệm
Các nhà nghiên cứu in 3D những mẫu polyme cỡ một tấm thẻ ngân hàng, với các thanh có kích thước từ micron đến centimet. Họ cho mẫu chịu quả nặng rơi xuống và nén ép, rồi so sánh với các mẫu mạng thông thường và tổ ong. Các mạng tỏ ra bền hơn trước nén ép và va đập. Portela cho rằng nhờ sự phong phú của các thang đo: khi một phần hỏng, mạng lưới xung quanh ngăn không cho vật liệu đứt đột ngột. Phần tóm tắt bài báo cũng nêu tính dị hướng đàn hồi có thể điều chỉnh rất rộng và khả năng hấp thụ năng lượng mạnh.
Trong một minh họa khác, một vật liệu có mật độ thay đổi như vỏ dày của quả bưởi, với phần rìa đặc hơn, đã bảo vệ một vật dễ vỡ đặt ở giữa.
Vì sao điều này quan trọng
Theo MIT, phương pháp này có thể dùng để thiết kế mũ bảo hiểm, áo giáp hoặc thấu kính âm thanh. Tim Chen của Imperial College London, người không tham gia nghiên cứu, thấy đây là một khung thiết kế cho mọi kết cấu phải chịu tải, hấp thụ năng lượng hoặc kiểm soát rung động. Các thử nghiệm được mô tả thực hiện trên mẫu polyme in 3D. Công trình được Chương trình DMREF của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (National Science Foundation) hỗ trợ.