Vật liệu tự phục hồi

Xuất bản : 24/07/2020

Đã có nhiều công bố khoa học về những thành công trong nghiên cứu, chế tạo các vật liệu tự phục hồi như trong tự nhiên. Các loại vật liệu nhân tạo tiên tiến này ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, được dự báo sẽ mang đến cuộc cách mạng cho ngành vật liệu cũng như nhiều ngành công nghiệp khác.

 Vật liệu tự phục hồi

Hiện tượng tự phục hồi trong các loại vật liệu nhân tạo được mô phỏng từ quá trình sinh học tự nhiên như sự tự lành vết thương hay xương trong cơ thể người. Các vật liệu tự phục hồi (SHM - Self Healing Material) có khả năng phục hồi hình dạng, phục hồi các tính năng như tính chịu lực, tính dẫn điện, hay tính quang học…mà không cần bất kỳ sự chẩn đoán trước hay sự can thiệp của con người. SHM được đề cập sớm nhất là các polyme với một loại chất kết dính bên trong được báo cáo vào năm 2001 bởi giáo sư Scott White, Nancy Sottos và các đồng nghiệp tại Đại học Illinois - Urbana Champaign (University of Illinois-Urbana-Champaign), Mỹ. Kể từ đó, một loạt các vật liệu tự phục hồi khác đã được nghiên cứu chế tạo như cao su, bê tông, kim loại, gốm, kính, các lớp phủ...có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xây dựng, ô tô, y sinh, điện tử, viễn thông, hàng hải, hàng không vũ trụ,…

Các dạng tự phục hồi của vật liệu
Tự phục hồi tự sinh (Autogenous healing)
Vật liệu tự phục hồi trong tự nhiên, không có sự can thiệp của con người. Đây là cách mà bê tông có thể tự phục hồi khi phối liệu ngậm không đủ nước, nên nếu xuất hiện vết nứt có nước thấm vào, bê tông được bổ sung thêm nước và tự liền; hoặc bê tông tự liền do hình thành dung dịch tinh thể canxi cacbonat bên trong vết nứt. 
Vật liệu nhớ hình (Shape memory)
Vật liệu nhớ hình tự phục hồi như nhựa nhiệt dẻo hoặc hợp kim như nitinol (niken-titan). Dù được đúc thành hình dạng cố định nhưng nếu bị uốn cong sẽ trở lại hình dạng trước đó khi có kích thích (nhiệt) từ bên ngoài. 
Tự phục hồi dựa trên vi nang (Microcapsule)

Các vi nang siêu nhỏ mức độ nano/micro chứa chất chữa lành và chất xúc tác được phối trộn ngẫu nhiên trong vật liệu. Khi xuất hiện hư hỏng, các vết nứt sẽ làm vỡ các vi nang để phóng thích chất chữa lành và chất xúc tác tạo nên chất liệu lấp đầy vết nứt.

Tự phục hồi dựa trên mạng lưới vi mạch (Microvascular  network)
Mạng lưới vi mạch là liên kết các sợi rỗng hoặc các ống kích thước siêu nhỏ mức độ nano/micro được nhúng bên trong vật liệu. Các vi nang, chất chữa lành nằm trong mạng lưới vi mạch. Các hư hỏng, vết nứt sẽ phá vỡ mạng lưới giải phóng chất chữa lành giúp vật liệu tự phục hồi. 

Tự phục hồi dạng sinh học (Bio-healing)

Các vi khuẩn/bào tử nấm và nguồn dinh dưỡng của chúng được phối trộn ngẫu nhiên trong vật liệu. Các vi khuẩn/bào tử nấm có thể “ngủ yên” trong vật liệu đến hàng trăm năm. Khi vật liệu có các vết nứt, vi khuẩn/bào tử nấm có điều kiện tiếp xúc với nước và nguồn dinh dưỡng sẽ sản sinh ra thành phần kết dính làm liền vật liệu.

Tự phục hồi dạng hóa học (Chemical activity) 
Bằng sự phá vỡ cân bằng tạo ra các phản ứng với chất xúc tác để tự phục hồi sau khi hư hỏng. Cơ chế này thường được kết hợp trong phương pháp chế tạo vật liệu tự phục hồi dạng vi nang hay mạng lưới vi mạch. 
Lớp phủ bảo vệ (Protective coating)
Lớp phủ bảo vệ có khả năng tự phục hồi khi có tác động (như ánh sáng hoặc nhiệt) từ bên ngoài. 

Nguồn: Joseph C. Cremaldi,  Bharat Bhushan;Bioinspired self-healing materials: lessons from nature .

Nghiên cứu về vật liệu tự phục hồi

SHM được đánh giá cao và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng tự chữa lành các hư hỏng, kể cả các hư hỏng từ bên trong mà chỉ có thể phát hiện bằng những giải pháp kỹ thuật như kiểm tra bằng siêu âm hoặc X-quang khá tốn kém và mất thời gian. Các hư hỏng này không dễ dàng sửa chữa, khắc phục, thậm chí có thể phá hỏng cả cấu trúc vật thể, công trình trước khi được phát hiện.

SHM làm tăng tuổi thọ, sự an toàn và độ tin cậy của sản phẩm, đặc biệt đối với các công trình lớn, kiến trúc nghệ thuật hay vật liệu sử dụng trong các thiết bị hoạt động ở các địa điểm xa xôi hoặc không thể tiếp cận như thiết bị viễn thám, tàu lặn…Đồng thời giúp giảm bớt gánh nặng bảo trì, giảm nhu cầu về nguyên vật liệu, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Một trong những thách thức quan trọng đối với các nhà khoa học khi nghiên cứu chế tạo SHM là việc chế tạo các vi nang, mạng lưới vi mạch, hay nghiên cứu các loại nấm/vi khuẩn và chất chữa lành phù hợp cho các loại vật liệu khác nhau để có thể tự phục hồi. Hơn nữa, phản ứng hóa học giữa các chất chữa lành và chất xúc tác diễn ra khác nhau ở những môi trường, nhiệt độ khác nhau, nên dù có thể tự phục hồi trong hệ thống này nhưng lại không thể tự phục hồi trong một hệ thống khác. Do đó, nghiên cứu các SHM cần được tiến hành trong các điều kiện ứng dụng cụ thể.

Trong 10 năm (2006-2015), SHM đã được tập trung nghiên cứu và có đến hơn 16.000  bài báo khoa học liên quan được công bố, tập trung vào các loại vật liệu polyme, composite, các lớp phủ, gốm và bê tông. Tài liệu công bố liên quan đến bê tông ít nhất so với các vật liệu được thống kê, nhưng tiềm năng ứng dụng của bê tông tự phục hồi được đánh giá rất cao.

Dù còn nhiều thách thức trong việc phát triển công nghệ chế tạo, nhưng SHM đang thu hút sự quan tâm của giới công nghệ và các doanh nghiệp vì giàu tiềm năng ứng dụng và được dự báo sẽ góp phần quan trọng trong làn sóng công nghệ làm cho mọi thứ thông minh hơn, tác động to lớn đến các ngành công nghiệp và đời sống xã hội. Tương lai công nghệ chế tạo SHM được kỳ vọng sẽ phát triển vượt ngoài tầm các phương pháp hiện có, với khả năng phát triển một hệ thống sinh học tuần hoàn liên tục làm lưu thông các tác nhân chữa lành để tạo khả năng tự phục hồi cho các loại vật liệu khác nhau.

Số lượng bài báo khoa học liên quan đến vật liệu tự phục hồi theo loại vật liệu

Nguồn: Sandra S Lucas, Max von Tapavicza, Annette M Schmidt, Ju ¨rgen Bertling, Anke Nellesen; Study of quantification methods in self-healing ceramics, polymers and concrete: A route towards standardization; ISI Web of Knowledge.

Một số thành tựu được công bố

Phát triển hệ thống mạng lưới vi mạch: giáo sư Ian Bond, người đứng đầu bộ phận kỹ thuật hàng không vũ trụ trường Đại học Bristol, Vương quốc Anh, cùng cộng sự đã phát triển hệ thống mạng lưới vi mạch trong vật liệu tự phục hồi. Công nghệ này có th sử dụng trong các vật liệu polyme tổng hợp siêu bền thay thế kim loại thế hệ mới của máy bay Superjumbo; đang được nghiên cứu, ứng dụng trong chế tạo xe hơi và cả cho màn hình điện thoại thông minh.

Bê tông sinh học tự phục hồi: các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (Delft University of Technology), Hà Lan, đã phát triển bê tông sinh học tự phục hồi. Bê tông được phối trộn với vi khuẩn và canxi lactate, các phối liệu này có thể “ngủ yên” đến 200 năm. Khi vết nứt hình thành và nước thấm qua, các vi khuẩn được kích hoạt và tiêu thụ canxi lactate để bắt đầu sản xuất đá vôi lấp đầy các vết nứt. Công nghệ này có khả năng thương mại hóa cao.

Polyme tổng hợp tự phục hồi như da người: các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Kỹ thuật hóa học (Department of Chemical Engineering) thuộc Viện Công nghệ Israel (Israel Institute of Technology) ở Haifa đã phát triển loại polyme tổng hợp, có thể tự phục hồi giống như da người, khi bị vết xước hay vết cắt, với thời gian tự phục hồi không đến 1 ngày.

Cao su đàn hồi tự phục hồi: các nhà khoa học Đại học Thiên Tân, Trung Quốc, đã tạo ra loại cao su đàn hồi từ các polyme có khả năng tự phục hồi. Khi cắt thành 2 mảnh, vật liệu này có thể dính lại với nhau hoàn toàn mà không cần bất kỳ tác động từ bên ngoài, thời gian tự phục hồi nhanh, trong vòng 10 phút ở nhiệt độ phòng và có thể tự phục hồi ở môi trường âm 400C, trong nước mặn ở mức nhiệt âm 100C, cũng như tự phục hồi trong môi trường acid và kiềm. Cao su đàn hồi có thể được sử dụng để chế tạo robot, các thiết bị hoạt động dưới biển.

Sơn tự phục hồi: các kỹ sư của công ty Autonomic Materials tại Urbana-Champaign, Illinois-Mỹ, đã hợp tác với Đại học Illinois nghiên cứu phát triển các loại sơn tự phục hồi, chất bịt kín và chất kết dính dựa trên công nghệ microcapsule. Ông Joe Giuliani, Giám đốc điều hành Autonomic Materials cho biết, sản phẩm công ty đưa ra thị trường là sơn chống ăn mòn kim loại có thể tự phục hồi sử dụng cho tàu biển, bến cảng hoặc các giàn khoan dầu.

Lớp phủ tự phục hồi: công ty Ford đã phát triển một kỹ thuật mới về lớp phủ tự phục hồi để bảo vệ xe khỏi bị hư hại và trầy xước, dự kiến ​​sẽ được thực hiện ở quy mô thương mại.

Anh Trung
Nguồn:http://www.cesti.gov.vn

Các tin bài khác