Thủy tinh kim loại: Vật liệu của tuơng lai?


“Thủy tinh”, như chúng thường suy nghĩ về chiếc cửa sổ kính. Tuy nhiên, ở những điều kiện nhất định, kim loại cũng có thể tạo thành ở dạng thủy tinh, sở hữu những tính chất đặc biệt như làm lõi biến thế điện lý tưởng, các sản phẩm chơi đánh gold và các sản phẩm khác… Để tạo ra vật liệu thủy tinh kim loại khá phức tạp, nhưng Nhà nghiên cứu ở ĐH Johns Hopkins đã tham gia cuộc đua này. Todd Hufnagel đang thử nghiệm sản xuất thủy tinh kim loại mới dạng khối có tính chất siêu việt về độ bền, đàn hồi và từ tính.

Trong quá trình nghiên cứu, Todd Hufnagel hy vọng tìm tòi các hiện tượng vi mô xảy ra khi kim loại nóng chảy được làm nguội thành chất rắn. Đó là giai đoạn tới hạn khi thủy tinh kim loại sinh thành.

Đối với các nhà khoa học, thủy tinh là vật liệu bất kì có thể làm nguội từ chất lỏng thành chất rắn mà không xảy ra quá trình kết tinh (tinh thể hóa). Hầu hết kim loại kết tinh khi khi chúng nguội, quá trình sắp xếp nguyên tử của chúng thành mẫu không gian rất đều đặn gọi là ô mạng . Nhưng nếu quá trình kết tinh không xảy ra, nguyên tử thiết lập vị trí gần như rất nhẫu nhiên, trạng thái cuối cùng ở trạng thái rắn gọi là thủy tinh kim loại.

Thủy tinh thường có cùng sự sắp xếp nguyên tử ngẫu nhiên như vậy, mặc dù nó không phải là kim loại. Không giống các tấm cửa kính, thủy tinh kim loại không trong suốt, và còn có cấu trúc nguyên tử bất thường làm cho chúng có tính chất cơ học và từ tính đặc biệt. Không như kính cửa sổ, thủy tinh kim loại không dòn. Khá nhiều kim loại truyền thống tuơng đối dễ “biến dạng”, hoặc bẻ cong và giữ nguyên dạng hình dáng biến dạng cuối cùng, đó là do mạng tinh thể của chúng ẩn chứa khuyết tật. Thủy tinh kim loại, trái lại, sẽ đàn hồi trở lại hình dạng gốc ban đầu nhanh hơn nhiều.

“Nếu bạn xếp hạng khả năng đàn hồi (như lò xo), thủy tinh kim loại sẽ vượt khỏi đồ thị so với các vật liệu truyền thống”  Hufnagel nói, hiện là phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu. “Chúng sẽ tiến xa và tốt hơn những gì đang có hiện tại”

Công việc của Ông tiếp cận theo những nhà khoa học trong lịch sử họ đã khuấy nhiều thành phần lại với nhau, thử tạo ra vật liệu mới có giá trị. “Luyện kim có truyền thống lâu dài và là ‘nghệ thuật bí ẩn'”, Hufnagel nói. “Trong một thời gian dài, người ta đã làm những gì họ hiểu họ làm, mà không hiểu tại sao. Đóng góp thực sự của luyện kim là sự khởi đầu phác họa tại sao sự vật lại hoạt động và làm thế nào để có thể cải thiện chúng”.

“Một phần việc của chúng ta đang tiếp tục làm vẫn là một thứ giả kim, trộn lẫn chúng theo một sự kết hợp mới để xem chúng tạo thủy tinh tốt ở mức nào. Phần còn lại là khoa học. Chúng ta muốn biết tại sao quá trình kết tinh xảy ra, điều gì xảy đến với chúng. Nếu bạn có thể hiểu tại sao sự kết tinh xảy ra, khi đó, có lẽ bạn có thể thiết kế hợp kim của bạn để có thể tránh được sự kết tinh. Có rất nhiều nghiên cứu cơ bản đã đang được thực hiện về chủ đề này” .

Do chúng không có khuyết tật tinh thể, thủy tinh kim loại cơ sở Fe là vật liệu từ rất hiệu quả. Và như kính cửa sổ, thủy tinh kim loại biến mềm khi nó bị nung nóng, làm cho chúng dễ dàng được biến dạng trong khuôn thành hình dạng sản phẩm cuối cùng.

Trong quá trình chế tạo, những tính chất như trên có sức hấp dẫn lớn, Nhưng tạo thủy tinh kim loại ở dạng dày, khối là không dễ dàng bởi các kim loại dễ bị kết tinh khi làm nguội. Để tạo thủy tinh, kim loại phải đông đặc trước khi mạng tinh thể của chúng được tạo thành. Để tạo thủy tinh từ kim loại tinh khiết, như đồng hoặc niken, chúng phải đựoc làm nguội với tốc độ khoảng 1000 tỉ độ C/giây, Hufnagel lý giải. Đó là điều không thực tế.

Trong những năm 1950, dẫu vậy, các nhà luyện kim biết cách làm chậm quá trình kết tinh bằng các hỗn hợp kim loại xác định, như Ni và Zr. Khi các lớp mỏng như của các kim loại đó được làm nguội tại tốc độ 1 triệu độ C/giây, chúng sẽ tạo thành thủy tinh kim loại. Bởi vì yêu cầu làm nguội nhanh, các vật liệu chỉ có thể tạo được các lớp băng mỏng, hoặc sợi hoặc dạng bột.

Gần đây hơn, tuy thế, các nhà khoa học đã tạo được thủy tinh kim loại ở dạng khối – tấm, ví dụ-bằng cách trộn 4 hoặc 5 các dạng nguyên tử có kích thước khác nhau.  Điều đó tạo cho hỗn hợp bền hơn đối với sự hình thành mạng tinh thể. Một trong những thủy tinh hợp kim đang được thuơng mại hóa để tạo các đầu đánh gold của cần đánh gold.

Theo: Science Daily

Biên dịch và giới thiệu – Nguyễn Hoàng Việt

Nguồn: luyenkim.net

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: