Phát hiện "lật đổ quy luật vật lý thống trị 70 năm" có thể rung chuyển ngành thiết kế tàu vũ trụ, áo giáp

Các nhà khoa học Mỹ vừa lật đổ quy luật vật lý tồn tại 70 năm về độ bền của kim loại, mở ra hướng thiết kế mới cho áo giáp siêu nhẹ, linh kiện in 3D kim loại và tàu vũ trụ chịu va chạm mạnh với rác không gian.

Nghiên cứu của nhóm tại Đại học Cornell (Mỹ) cho thấy: Khi kim loại bị tác động ở tốc độ siêu âm, việc làm hạt tinh thể (grain) nhỏ hơn [vốn từ trước đến nay được coi là cách tăng độ cứng] lại khiến kim loại mềm đi thay vì cứng hơn. 

Đây là sự đảo ngược hoàn toàn so với định luật Hall-Petch đã thống trị khoa học vật liệu suốt hơn 70 năm.

Định luật Hall-Petch là gì?

Phát hiện của họ mâu thuẫn với định luật Hall-Petch. 

Định luật Hall-Petch - ra đời từ hơn 70 năm trước - là một nguyên lý cơ bản trong khoa học vật liệu, phát biểu rằng: Các hạt nhỏ hơn, hay các vùng tinh thể siêu nhỏ bên trong kim loại, ngăn chặn sự di chuyển của các khuyết tật được gọi là lệch mạng (dislocations). Điều này làm cho vật liệu cứng hơn và có khả năng chống biến dạng tốt hơn. 

Nguyên lý này là nền tảng của mọi thứ, từ thiết kế máy bay đến áo giáp bảo vệ, suốt hơn 7 thập kỷ, cho đến khi các nhà nghiên cứu Mỹ có phát hiện đột phá.

Điều gì đã xảy ra trong phòng thí nghiệm?

Nhóm nghiên cứu (gồm Tiến sĩ Mostafa Hassani và Laura Wu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Cornell) dùng kỹ thuật bắn các hạt siêu nhỏ vào mục tiêu là ĐỒNG bằng laser với tốc độ siêu âm, cụ thể ở tốc độ 1.224 km/giờ (340 mét/giây).

Họ thử trên các mẫu đồng có kích thước hạt khác nhau, từ 1 micromet đến 100 micromet (kích thước mà quy luật Hall-Petch thường hoạt động rõ rệt).

Kết quả bất ngờ:

- Mẫu có hạt lớn hơn lại tạo vết lõm nông hơn, nghĩa là cứng hơn và hấp thụ năng lượng tốt hơn.

- Mẫu có hạt nhỏ hơn thì lại mềm đi khi bị va chạm cực mạnh.

Các nhà khoa học đã kiểm tra đi kiểm tra lại dữ liệu, thêm điểm đo mới, lặp lại thí nghiệm nhiều lần – kết quả vẫn giữ nguyên.

Kết quả này đã thách thức những hiểu biết khoa học trong nhiều thập kỷ.

Theo nhóm nghiên cứu, ở tốc độ biến dạng thông thường, ranh giới hạt và các khuyết tật tinh thể khác làm tăng độ bền của kim loại bằng cách ngăn chặn sự chuyển động của các lệch mạng. 

Nhưng ở tốc độ biến dạng cực cao (siêu âm), các lệch mạng tăng tốc đủ nhanh để bắt đầu tương tác với các nguyên tử rung động của vật liệu. Tương tác này, được gọi là hiện tượng kéo lệch mạng – phonon, có thể làm tăng đáng kể độ bền của kim loại.

Phát hiện này giúp các kỹ sư thiết kế vật liệu mới cho: Áo giáp nhẹ chịu đạn, va chạm mạnh tốt hơn; In 3D kim loại cho linh kiện chịu lực cực hạn; Tàu vũ trụ chống được va đập với mảnh vỡ không gian.

Riêng khả năng chịu va chạm với mảnh vỡ không gian của tàu vũ trụ không chỉ cứu tàu và phi hành gia mà còn đảm bảo sự bền vững của hoạt động khám phá vũ trụ, đặc biệt khi số lượng vệ tinh và rác không gian ngày càng tăng. Bởi, tàu chịu lực tốt giúp giảm số lần phải né tránh mảnh vỡ – mỗi lần né tốn nhiên liệu và làm gián đoạn sứ mệnh.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí uy tín Physical Review Letters. Đây là một bước ngoặt thú vị trong khoa học vật liệu sau nhiều thập kỷ tin vào một quy luật tưởng như bất biến.