Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang North Carolina (Mỹ) vừa chế tạo thành công một loại vật liệu composite polymer cốt sợi (fiber-reinforced polymer – FRP) có khả năng tự phục hồi nhiều lần. Đột phá công nghệ này hứa hẹn hiện thực hóa những cỗ máy có khả năng hoạt động bền bỉ trong nhiều thế kỷ, giải quyết triệt để bài toán hao mòn đối với các thiết bị hoạt động ở môi trường khắc nghiệt như tàu thăm dò không gian hoặc các trạm đổ bộ lên các ngoại hành tinh (hành tinh ngoài hệ Mặt Trời).
Theo bài báo khoa học được công bố trên kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ (PNAS), vật liệu mới này giải quyết tình trạng bong tróc giữa các lớp bằng cách sử dụng một chất liệu có khả năng nung chảy bằng điện năng.
Công nghệ này hoạt động dựa trên hai cải tiến cốt lõi. Thứ nhất, một hợp chất phục hồi gốc nhiệt dẻo được in 3D thành một lớp xen kẽ trên bề mặt sợi gia cường, giúp tăng khả năng chống bong tróc lên từ 2 đến 4 lần.
Thứ hai, các lớp nền carbon được tích hợp vào bên trong vật liệu sẽ sinh nhiệt khi có dòng điện chạy qua. Nhiệt lượng này làm tan chảy lớp nhựa nhiệt dẻo, cho phép chúng len lỏi vào các khe nứt lớn nhỏ và dán liền các lớp bề mặt đã bị tách rời.
Trong khi các vật liệu FRP thông thường vốn đã tồn tại hạn chế về tuổi thọ (chỉ kéo dài vài thập kỷ), loại composite tự phục hồi này lại được đánh giá là “gần như bất tử”. Theo các bài thử nghiệm tự động hóa với những vết nứt dài 5cm, vật liệu đã xuất sắc vượt qua 1.000 chu kỳ tự phục hồi trong vòng 40 ngày, thể hiện hiệu suất vượt xa quy mô và kỷ lục trước đây của nhóm nghiên cứu.
Chất phục hồi gốc nhiệt dẻo được in 3D (lớp phủ màu xanh lam) trên lớp cốt sợi thủy tinh (hình trái), và ảnh chụp nhiệt hồng ngoại trong quá trình tự phục hồi tại chỗ của vật liệu composite cốt sợi bị nứt gãy (hình phải).
Cchất phục hồi được in 3D (màu xanh lam) trên lớp cốt sợi carbon.
Nghiên cứu sinh Jack Turicek khẳng định rằng vật liệu này khởi đầu đã có độ cứng cáp cao hơn đáng kể so với các loại composite thông thường trên thị trường và duy trì khả năng chống nứt rất tốt trong ít nhất 500 chu kỳ. Nếu quá trình tự phục hồi được kích hoạt mỗi mùa một lần, vật liệu có thể duy trì tuổi thọ lên tới 125 năm; và nếu chỉ cần phục hồi định kỳ mỗi năm một lần, con số này có thể đạt tới 500 năm.
Tiềm năng ứng dụng và lợi ích to lớn Phó giáo sư Jason Patrick, tác giả liên hệ của nghiên cứu, nhấn mạnh công nghệ này sẽ làm giảm thiểu đáng kể các chi phí và nhân công liên quan đến việc kiểm tra thủ công, sửa chữa hay vứt bỏ các bộ phận composite bị hư hỏng. Hơn nữa, việc kéo dài tuổi thọ vật liệu mang lại những lợi ích sinh thái khổng lồ thông qua việc giảm thiểu khai thác tài nguyên, tiết kiệm năng lượng và hạn chế rác thải công nghiệp.
Hiện tại, công nghệ đột phá này đã được cấp bằng sáng chế và đang được thương mại hóa thông qua công ty Structeryx Inc. do chính ông Patrick thành lập. Với các đặc tính ưu việt nêu trên, siêu vật liệu này hứa hẹn mang lại lợi ích to lớn cho ngành sản xuất ô tô, tua-bin điện gió, máy bay, và đặc biệt là các trạm không gian hay tàu không gian – những phương tiện hoạt động ở khoảng cách quá xa để có thể tiếp cận bất kỳ xưởng sửa chữa nào.
