Các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) mới đây đã phát hiện ra một dạng cấu trúc nguyên tử đặc biệt, gọi là quasicrystal, trong hợp kim nhôm được tạo ra bằng công nghệ in 3D kim loại. Điều đặc biệt ở đây là loại cấu trúc này không chỉ hiếm gặp mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng độ bền cho vật liệu nhôm, vốn thường dễ nứt vỡ trong công nghệ in 3D.

Quasicrystal là gì và vì sao nó quan trọng?

Andrew Iams - Kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NIST, trong quá trình quan sát một mẫu hợp kim nhôm in 3D bằng kính hiển vi điện tử đã phát hiện ra các nguyên tử trong mẫu hợp kim này không sắp xếp theo dạng tinh thể thông thường. Thay vào đó, chúng thể hiện mô hình bất thường với độ đối xứng hiếm - dấu hiệu rõ ràng của một quasicrystal. Thông thường, tinh thể là cấu trúc rắn có các nguyên tử sắp xếp theo mô hình lặp đi lặp lại. Muối ăn là một ví dụ đơn giản, các nguyên tử natri và clo liên kết thành các khối lập phương siêu nhỏ và cứ thế lặp lại. Tuy nhiên, quasicrystal lại không tuân theo quy luật này. Mặc dù vẫn có trật tự, chúng không lặp lại một cách đều đặn. Điều này tạo ra các đặc tính vật lý đặc biệt: bền hơn, cứng hơn và đôi khi có khả năng chịu nhiệt cao hơn tinh thể truyền thống.

Các tinh thể được tìm thấy trong nghiên cứu với 20 cạnh được gọi là nhị thập diện (nguồn: NIST).

Cấu trúc quasicrystal lần đầu được phát hiện vào những năm 1980 bởi nhà khoa học Dan Shechtman trong thời gian ông làm việc tại NIST. Phát hiện của ông đã gây tranh cãi suốt một thời gian dài trước khi được công nhận và trao Giải Nobel Hóa học năm 2011.

In 3D kim loại - công nghệ thay đổi cục diện ngành sản xuất

Công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt là kỹ thuật powder bed fusion, hoạt động bằng cách rải bột kim loại thành từng lớp mỏng rồi dùng tia laser nung chảy từng lớp một để tạo thành sản phẩm rắn hoàn chỉnh. Phương pháp này giúp tạo ra các hình dạng phức tạp mà các phương pháp truyền thống không thể thực hiện được. Một ví dụ điển hình là đầu vòi phun nhiên liệu do GE Aerospace (Hoa Kỳ) sản xuất cho động cơ máy bay vào năm 2015. Với thiết kế in 3D, GE Aerospace đã giảm được số lượng chi tiết từ 20 xuống còn 1, đồng thời trọng lượng giảm 25% so với mẫu cũ.

Tuy nhiên, hợp kim nhôm mặc dù có trọng lượng nhẹ, nhưng lại rất khó in 3D do dễ nứt và biến dạng khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao. Nhôm thường nóng chảy ở khoảng 700°C, nhưng khi in 3D, nhiệt độ phải tăng lên đến hơn 2.470°C (vượt qua điểm sôi của nhôm). Tốc độ làm nóng và làm nguội nhanh khiến các cấu trúc tinh thể trong nhôm trở nên dễ vỡ và phát triển các vết nứt nhỏ.

Năm 2017, nhóm nghiên cứu tại HRL Laboratories (Hoa Kỳ) đã phối hợp cùng Đại học California, Santa Barbara (Hoa Kỳ) phát triển thành công một loại hợp kim nhôm chứa zirconium có thể in 3D mà không bị nứt vỡ. Loại hợp kim này trở thành đối tượng nghiên cứu của nhóm chuyên gia tại NIST để hiểu rõ nguyên nhân tạo nên độ bền của nó ở cấp độ nguyên tử. Trong vật liệu kim loại, các tinh thể hoàn hảo thực ra lại yếu hơn vì nguyên tử có thể dễ dàng trượt qua nhau. Điều này dẫn đến hiện tượng biến dạng, uốn cong hoặc gãy. Tuy nhiên, quasicrystal - do không có mô hình lặp lại - phá vỡ trật tự đều đặn này, tạo ra các điểm khuyết bên trong cấu trúc, giúp ngăn chặn chuyển động của nguyên tử. Kết quả là kim loại trở nên bền chắc và khó bị biến dạng hơn.

Tương lai của hợp kim nhôm in 3D

Khi Andrew Iams phát hiện ra cấu trúc 5 cạnh đối xứng trong mẫu hợp kim, ông đã tiếp tục quan sát từ nhiều góc độ để xác nhận thêm các đối xứng 3 và 2 cạnh - điều kiện bắt buộc để xác nhận sự hiện diện của một quasicrystal có hình dạng icosahedron (20 mặt đều).

Theo chuyên gia Fan Zhang của NIST, phát hiện lần này không chỉ giúp cải thiện độ tin cậy của vật liệu nhôm in 3D mà còn mở đường cho một thế hệ hợp kim mới được thiết kế chủ đích để chứa quasicrystal. Điều này mang ý nghĩa lớn đối với ngành hàng không vũ trụ, quân sự và công nghệ cao - những lĩnh vực yêu cầu vật liệu vừa nhẹ vừa bền ở cấp độ tối ưu.

Nguồn: vjst.vn