Trong một nghiên cứu mới xuất hiện trên tạp chí Nature, các nhà khoa học đã chứng minh thành công đặc tính tự phục hồi trong một số kim loại, mở đường cho các ứng dụng sáng tạo trong tương lai gần. Có thể trong tương lai, xã hội loài người sẽ xuất hiện những cây cầu, phương tiện hoặc bất kỳ bộ phận cơ khí nào bị hao mòn có thể tự 'sửa chữa'.

Độ mỏi kim loại là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ hiện tượng các vết nứt cực nhỏ xuất hiện trên các bộ phận máy móc, phương tiện và kết cấu sau khi chúng chịu áp lực hoặc chuyển động lặp đi lặp lại và có xu hướng ngày càng trở nên hư hại theo thời gian. Hiện tượng này tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm do nó có thể gây ra những hư hại thảm khốc trong các lĩnh vực như hàng không khi động cơ phản lực hỏng hóc hay các cơ sở hạ tầng như cầu và các công trình khác.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là “hàn lạnh” nhằm kéo các mảnh kim loại nhỏ lại với nhau với tần suất khoảng 200 lần/giây. Từ vết nứt ban đầu, các mảnh kim loại dày khoảng 40 nanomet và rộng vài micromet cuối cùng hợp nhất lại sau khoảng thời gian 40 phút.

Theo giải thích của nhà khoa học vật liệu Brad Boyce thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia - người dẫn đầu nghiên cứu này - quy trình hàn nguội là một quy trình luyện kim xảy ra khi hai bề mặt kim loại tương đối nhẵn và sạch được kéo lại với nhau để cải tổ các liên kết nguyên tử.

Tuy nhiên không giống như các robot tự phục hồi như trong bộ phim Terminator 2: Judgement Day năm 1991, quá trình này chỉ diễn ra tại cấp độ nano và hiện các nhà khoa học “vẫn chưa thể kiểm soát nó”. Các thí nghiệm được quan sát trong một môi trường rất cụ thể bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là kính hiển vi điện tử.

Trước mắt, quá trình tự phục hồi chỉ được ghi nhận trong các thí nghiệm với bạch kim và đồng. Tuy nhiên theo Reuters dẫn lời tiến sĩ Boyce, các mô phỏng chỉ ra rằng quá trình tự phục hồi có thể xảy ra ở các kim loại khác và các hợp kim như thép có thể biểu hiện tính chất này là việc “hoàn toàn hợp lý”. Ông khẳng định các vật liệu có thể được điều chỉnh “để tận dụng lợi thế” của hiện tượng này.

Ông cho biết một trong những câu hỏi lớn còn bỏ ngỏ từ nghiên cứu là liệu quá trình này cũng xảy ra trong không khí chứ không chỉ môi trường chân không của kính hiển vi. Tuy nhiên kể cả khi nó chỉ xảy ra trong môi trường chân không, nó vẫn có những ảnh hưởng quan trọng đối với độ mỏi của kim loại trong các phương tiện vũ trụ, hoặc độ mỏi liên quan đến các vết nứt dưới bề mặt không tiếp xúc với không khí.

Một nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử chuyên dụng để nghiên cứu các vết nứt do độ mỏi kim loại gây ra ở cấp độ nano. Ảnh: Craig Fritz/Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia/Reuters.

Nhận định về tác động của nghiên cứu, ông Boyce cho biết kiến thức mới này có thể giúp hình thành “các chiến lược thiết kế vật liệu thay thế hoặc các phương pháp tiếp cận kỹ thuật để giúp giảm thiểu sự cố gây ra bởi độ mỏi kim loại”. Ngoài ra, nó còn có thể làm rõ các hư hỏng do độ mỏi kim loại gây ra trong các cấu trúc hiện có cũng như cải thiện khả năng diễn giải và dự đoán những sự cố tương tự.

Khi dự đoán về mốc thời gian cụ thể công nghệ này có thể được ứng dụng vào thực tế, đồng tác giả nghiên cứu Michael Demkowicz, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của Đại học Texas A&M, cho biết “các ứng dụng hữu hình của những phát hiện này sẽ mất thêm 10 năm nữa để phát triển”.

Như một cảnh báo quan trọng, các thí nghiệm được tiến hành trong chân không bằng kính hiển vi điện tử, các nhà khoa học rất muốn khám phá xem liệu quá trình này có xảy ra trong môi trường không khí bình thường hay không. Bất chấp điều đó, những phát hiện này có ý nghĩa sâu sắc đối với sự mỏi kim loại trong các phương tiện vũ trụ và các vết nứt dưới bề mặt không tiếp xúc với khí quyển.

Tương lai của kim loại tự phục hồi hứa hẹn to lớn cho nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng. Khi các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực hấp dẫn này, chúng ta có thể mong đợi một thế giới nơi vật liệu có thể tự sửa chữa, làm cho máy móc và cấu trúc trở nên mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn./.