Vật liệu thông minh: Nhớ hình dạng và Tự phục hồi - Góc nhìn Toàn cầu

Vật liệu thông minh, còn được gọi là vật liệu thông minh hoặc vật liệu đáp ứng, được thiết kế để phản ứng với các kích thích bên ngoài, thay đổi các đặc tính hoặc chức năng của chúng theo một cách có thể dự đoán được. Các kích thích này có thể bao gồm nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, điện trường hoặc từ trường, và môi trường hóa học. Khả năng thích ứng này làm cho chúng trở nên vô cùng linh hoạt, với các ứng dụng trải rộng trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau trên toàn thế giới. Bài viết này sẽ đi sâu vào hai loại vật liệu thông minh nổi bật: vật liệu nhớ hình dạng và vật liệu tự phục hồi.

Vật liệu Nhớ hình dạng là gì?

Vật liệu nhớ hình dạng (SMMs) là những vật liệu có thể "nhớ" hình dạng ban đầu và trở lại hình dạng đó khi chịu một kích thích cụ thể, thường là nhiệt độ. Đặc tính đáng chú ý này phát sinh từ sự biến đổi pha trong cấu trúc tinh thể của vật liệu.

Các loại Vật liệu Nhớ hình dạng

• Hợp kim Nhớ hình dạng (SMAs): Đây là các hợp kim kim loại, phổ biến nhất là hợp kim niken-titan (NiTi), còn được gọi là Nitinol. SMAs thể hiện cả hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) và tính siêu đàn hồi.
• Polyme Nhớ hình dạng (SMPs): Đây là các vật liệu polyme thể hiện hành vi nhớ hình dạng tương tự. SMPs thường nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ gia công hơn SMAs nhưng thường có lực phục hồi thấp hơn.

Hiệu ứng Nhớ hình dạng

Hiệu ứng nhớ hình dạng dựa trên sự biến đổi pha ở trạng thái rắn giữa hai cấu trúc tinh thể: martensite (nhiệt độ thấp) và austenite (nhiệt độ cao). Khi SMA hoặc SMP ở pha martensite, nó có thể dễ dàng bị biến dạng. Tuy nhiên, khi được nung nóng trên nhiệt độ chuyển pha, nó sẽ trở lại pha austenite, phục hồi hình dạng ban đầu đã được lập trình sẵn.

Hãy tưởng tượng bạn bẻ cong một chiếc kẹp giấy làm bằng Nitinol. Nó sẽ giữ nguyên hình dạng cong ở nhiệt độ phòng. Bây giờ, nếu bạn hơ nóng chiếc kẹp giấy bằng máy sấy tóc, nó sẽ trở về hình dạng thẳng ban đầu một cách kỳ diệu. Đây chính là hiệu ứng nhớ hình dạng đang hoạt động.

Tính siêu đàn hồi

Một số SMAs, đặc biệt ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ chuyển pha của chúng, thể hiện tính siêu đàn hồi (còn được gọi là giả đàn hồi). Ở trạng thái này, vật liệu có thể chịu biến dạng đáng kể (lên đến 8% đối với NiTi) và tự động trở về hình dạng ban đầu khi loại bỏ ứng suất tác dụng. Điều này khác với hiệu ứng nhớ hình dạng, vốn yêu cầu sự thay đổi nhiệt độ.

Ứng dụng của Vật liệu Nhớ hình dạng

SMAs và SMPs đã tìm thấy một loạt các ứng dụng rộng rãi trên nhiều ngành công nghiệp toàn cầu:

Ứng dụng Y tế

• Stent: Các stent tự giãn nở làm từ Nitinol được sử dụng để mở các động mạch và các mạch máu khác bị tắc. Các stent này được nén lại với đường kính nhỏ để đưa vào cơ thể và sau đó giãn ra theo hình dạng đã định sẵn bên trong cơ thể, cung cấp sự hỗ trợ và phục hồi lưu lượng máu. Các công ty trên toàn thế giới, bao gồm cả ở Mỹ, châu Âu và châu Á, sản xuất và phân phối các thiết bị cứu sống này.
• Dây cung chỉnh nha: Dây SMA được sử dụng trong niềng răng để tác động một lực không đổi lên răng, dần dần làm thẳng chúng. Các dây này cung cấp sự điều trị ổn định và thoải mái hơn so với dây thép không gỉ truyền thống.
• Dụng cụ phẫu thuật: SMAs được sử dụng trong các dụng cụ phẫu thuật cho các thủ thuật xâm lấn tối thiểu, cho phép thao tác chính xác và có kiểm soát bên trong cơ thể.
• Cấy ghép y tế: SMAs đang được nghiên cứu để cố định xương và các thiết bị cấy ghép khác.

Ứng dụng Hàng không Vũ trụ

• Cánh máy bay thích ứng: SMAs có thể được sử dụng để tạo ra các cánh máy bay thích ứng có thể thay đổi hình dạng trong khi bay để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Boeing, Airbus và các công ty hàng không vũ trụ khác đang tích cực nghiên cứu và phát triển công nghệ này.
• Cấu trúc có thể triển khai: SMAs có thể được sử dụng để triển khai các cấu trúc trong không gian, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời và ăng-ten. Cấu trúc nhỏ gọn, gấp lại có thể được triển khai khi đến vị trí mong muốn bằng cách kích hoạt hiệu ứng nhớ hình dạng.
• Giảm chấn rung: SMAs có thể được tích hợp vào cấu trúc máy bay để giảm chấn rung và giảm tiếng ồn.

Ứng dụng Ô tô

• Hệ thống treo chủ động: SMAs có thể được sử dụng trong các hệ thống treo chủ động để cải thiện sự thoải mái khi lái xe và khả năng xử lý.
• Van động cơ: SMAs có thể được sử dụng để điều khiển van động cơ, cải thiện hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.
• Van điều khiển nhiệt độ: SMAs được sử dụng trong các hệ thống làm mát để điều chỉnh lưu lượng chất làm mát dựa trên nhiệt độ.

Điện tử Tiêu dùng

• Gọng kính: Gọng kính SMA rất linh hoạt và có thể trở lại hình dạng ban đầu ngay cả sau khi bị bẻ cong hoặc xoắn.
• Ăng-ten điện thoại di động: SMAs có thể được sử dụng để tạo ra các ăng-ten có thể thu vào tự động mở rộng khi cần thiết.

Robot học

• Bộ truyền động: SMAs có thể được sử dụng làm bộ truyền động trong robot, cung cấp chuyển động chính xác và có kiểm soát. Kích thước nhỏ và tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao của chúng làm cho chúng phù hợp với các hệ thống robot thu nhỏ.
• Robot mềm: SMPs đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực robot mềm, nơi yêu cầu các cấu trúc linh hoạt và có thể biến dạng.

Vật liệu Tự phục hồi là gì?

Vật liệu tự phục hồi là một loại vật liệu thông minh có khả năng tự động sửa chữa các hư hỏng, chẳng hạn như vết nứt hoặc vết trầy xước, qua đó kéo dài tuổi thọ và cải thiện độ tin cậy của chúng. Khả năng tự sửa chữa này mô phỏng các quá trình chữa lành tự nhiên được tìm thấy trong các sinh vật sống.

Các loại Cơ chế Tự phục hồi

Vật liệu tự phục hồi sử dụng nhiều cơ chế khác nhau để đạt được khả năng tự sửa chữa:

• Phục hồi dựa trên viên nang: Phương pháp này bao gồm việc nhúng các viên nang vi mô chứa chất chữa lành vào trong vật liệu. Khi một vết nứt lan truyền và làm vỡ các viên nang, chất chữa lành được giải phóng và lấp đầy vết nứt, đông đặc lại và sửa chữa hư hỏng.
• Mạng lưới mạch máu: Tương tự như các mạch máu trong cơ thể con người, các mạng lưới mạch máu có thể được tích hợp vào vật liệu để vận chuyển các chất chữa lành đến vị trí hư hỏng.
• Phục hồi nội tại: Phương pháp này dựa vào khả năng vốn có của vật liệu để tự sửa chữa thông qua các liên kết hóa học thuận nghịch hoặc sự vướng víu phân tử. Khi hư hỏng xảy ra, các liên kết này bị phá vỡ, nhưng chúng có thể tự hình thành lại, đóng kín vết nứt.
• Mạng lưới polyme thuận nghịch: Các vật liệu này kết hợp các liên kết hóa học thuận nghịch có thể bị phá vỡ và hình thành lại dưới tác động của ứng suất, cho phép vật liệu thích ứng với hư hỏng và tự phục hồi theo thời gian.
• Phục hồi lấy cảm hứng từ sinh học: Các nhà nghiên cứu đang lấy cảm hứng từ các hệ thống sinh học, chẳng hạn như khả năng tự phục hồi của thực vật và động vật, để phát triển các vật liệu tự phục hồi mới.

Ứng dụng của Vật liệu Tự phục hồi

Vật liệu tự phục hồi có tiềm năng cách mạng hóa các ngành công nghiệp khác nhau bằng cách tăng cường độ bền, độ an toàn và tính bền vững của sản phẩm:

Lớp phủ và Sơn

• Sơn phủ ô tô: Sơn phủ tự phục hồi có thể sửa chữa các vết trầy xước nhỏ và các vết xoáy, giúp xe ô tô trông mới lâu hơn. Các nhà sản xuất ô tô lớn trên toàn cầu đang khám phá và tích hợp các lớp sơn bóng tự phục hồi trên các mẫu xe chọn lọc.
• Lớp phủ bảo vệ: Lớp phủ tự phục hồi có thể được sử dụng để bảo vệ các công trình khỏi sự ăn mòn và mài mòn, kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.
• Sơn hàng hải: Lớp phủ tự phục hồi có thể ngăn chặn sự phát triển của các sinh vật biển trên vỏ tàu, giảm lực cản và cải thiện hiệu quả nhiên liệu.

Vật liệu Xây dựng

• Bê tông tự phục hồi: Vi khuẩn hoặc các vi sinh vật khác được tích hợp vào hỗn hợp bê tông. Khi các vết nứt hình thành, các vi sinh vật này được kích hoạt và tạo ra canxi cacbonat, lấp đầy các vết nứt và sửa chữa hư hỏng. Công nghệ này đang được nghiên cứu và thử nghiệm trong các dự án cơ sở hạ tầng khác nhau trên toàn thế giới để nâng cao độ bền và giảm bảo trì.
• Nhựa đường tự phục hồi: Các viên nang vi mô chứa chất trẻ hóa có thể được thêm vào nhựa đường để sửa chữa các vết nứt và kéo dài tuổi thọ của đường xá.

Điện tử

• Điện tử linh hoạt: Các polyme tự phục hồi có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể co giãn, có thể tự sửa chữa sau khi bị hỏng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị điện tử đeo được và cảm biến.
• Pin: Vật liệu tự phục hồi có thể được sử dụng để cải thiện độ an toàn và tuổi thọ của pin bằng cách sửa chữa các vết nứt và ngăn rò rỉ chất điện phân.

Hàng không Vũ trụ

• Cấu trúc máy bay: Vật liệu tự phục hồi có thể được sử dụng để sửa chữa hư hỏng cho các cấu trúc máy bay, chẳng hạn như các vết nứt trên thân hoặc cánh, cải thiện độ an toàn và giảm chi phí bảo trì.
• Linh kiện tàu vũ trụ: Vật liệu tự phục hồi có thể được sử dụng để bảo vệ các linh kiện tàu vũ trụ khỏi bức xạ và va chạm của vi thiên thạch, kéo dài tuổi thọ của chúng trong môi trường khắc nghiệt của không gian.

Vải dệt

• Vải tự phục hồi: Lớp phủ tự phục hồi có thể được áp dụng cho các loại vải để sửa chữa các vết rách và thủng, kéo dài tuổi thọ của quần áo và các loại vải dệt khác. Điều này đặc biệt hữu ích trong quần áo bảo hộ và đồ thể thao.

Thách thức và Hướng đi Tương lai

Mặc dù vật liệu thông minh mang lại tiềm năng to lớn, vẫn còn một số thách thức cần được giải quyết trước khi chúng có thể được áp dụng rộng rãi:

• Chi phí: Chi phí sản xuất vật liệu thông minh có thể cao, hạn chế việc sử dụng chúng trong một số ứng dụng.
• Độ bền: Độ bền của một số vật liệu thông minh, đặc biệt là SMPs và vật liệu tự phục hồi, cần được cải thiện để chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Khả năng mở rộng quy mô: Việc mở rộng quy mô sản xuất vật liệu thông minh để đáp ứng nhu cầu công nghiệp có thể là một thách thức.
• Tác động môi trường: Tác động môi trường của việc sản xuất và xử lý vật liệu thông minh cần được xem xét cẩn thận.
• Hiệu suất dài hạn: Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ về hiệu suất và độ tin cậy dài hạn của vật liệu thông minh.

Bất chấp những thách thức này, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực vật liệu thông minh đang tiến bộ nhanh chóng. Các hướng đi tương lai bao gồm:

• Phát triển các vật liệu thông minh mới và cải tiến với các đặc tính và chức năng nâng cao.
• Khám phá các ứng dụng mới của vật liệu thông minh trong các lĩnh vực mới nổi như trí tuệ nhân tạo và công nghệ sinh học.
• Cải thiện hiệu quả chi phí và khả năng mở rộng quy mô sản xuất vật liệu thông minh.
• Phát triển các vật liệu thông minh bền vững và thân thiện với môi trường.
• Tích hợp vật liệu thông minh vào các sản phẩm hàng ngày để cải thiện hiệu suất, độ bền và tính bền vững của chúng.

Nghiên cứu và Phát triển Toàn cầu

Nghiên cứu và phát triển vật liệu thông minh là một nỗ lực toàn cầu, với sự đóng góp đáng kể từ các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty trên khắp thế giới. Các quốc gia như Hoa Kỳ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và Vương quốc Anh đang dẫn đầu trong lĩnh vực này. Hợp tác quốc tế và chia sẻ kiến thức là rất quan trọng để đẩy nhanh việc phát triển và áp dụng vật liệu thông minh.

Kết luận

Vật liệu thông minh, bao gồm vật liệu nhớ hình dạng và vật liệu tự phục hồi, đại diện cho một sự thay đổi mô hình trong khoa học vật liệu và kỹ thuật. Khả năng đáp ứng với các kích thích bên ngoài và thích ứng với các điều kiện thay đổi của chúng mở ra một thế giới các khả năng cho sự đổi mới và tiến bộ công nghệ. Khi nghiên cứu và phát triển tiếp tục đẩy lùi các giới hạn của những gì có thể, chúng ta có thể mong đợi sẽ thấy nhiều ứng dụng đột phá hơn nữa của vật liệu thông minh trong những năm tới, tác động đến các ngành công nghiệp và cải thiện cuộc sống trên toàn cầu. Từ các thiết bị y tế đến các cấu trúc hàng không vũ trụ, vật liệu thông minh đã sẵn sàng đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai.