Ví dụ, vỏ ô tô biến dạng sau va chạm chỉ cần nhúng vào nước nóng là khôi phục hình dáng ban đầu.

Vật liệu có thể trở lại trạng thái ban đầu

Hợp kim ghi nhớ hình dạng (Shape memory alloy - SMA) là một loại vật liệu thông minh thế hệ mới đang được nghiên cứu và sử dụng nhiều trên thế giới. Đồ vật làm từ nguyên liệu SMA khi bị biến dạng bởi tác động ngoại lực sẽ khôi phục hình dạng gốc nhờ một quá trình nhiệt cơ học thích hợp.

Vật liệu SMA được coi là một loại vật liệu đa năng, ứng dụng nhiều trong y tế (phẫu thuật chỉnh hình, các thiết bị van tim, van nong...), công nghiệp vũ trụ (anten, cơ cấu đóng mở pin mặt trời...), chế tạo robot, các nhóm ngành kỹ thuật, thậm chí đã từng được giới thiệu trong ứng dụng làm vỏ ô tô (khi bị biến dạng sau va chạm, chỉ cần một phích nước nóng cũng có thể khôi phục lại hình dáng ban đầu của vỏ xe).

Nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Huy Dân và cộng sự Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu cấu trúc và tính chất của hợp kim nhớ hình SMA. Loại vật liệu này được nhóm nghiên cứu trên ba hệ hợp kim khác nhau.

Đó là hệ hợp kim Nitinol gồm nguyên tố Niken (Ni) - Titan (Ti) - Đồng (Cu); hệ hợp kim Heusler gồm Mn (Mangan) - Ga (Gali) - Al (Nhôm) và hệ hợp kim Entropy cao gồm Ti-Zr (Zirconi) - Ni - Cu.

Tỉ lệ hợp phần trong mỗi hợp kim đều được nhóm tính toán để phù hợp với mục đích chế tạo. GS Dân cho biết, hệ hợp kim Nitinol có tính dẫn điện và độ bền cao nên được sử dụng để gia công cơ khí rất tốt, còn loại hợp kim Heusler có thể ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh.

Nghiên cứu được nhóm thực hiện từ năm 2019, thời điểm đó, vật liệu SMA chưa từng được nghiên cứu ở Việt Nam. Loại hợp kim này có đặc tính “thông minh” như vậy là nhờ sự linh hoạt trong cấu trúc nguyên tử của các thành phần hợp kim.

Không giống với hợp kim thông thường, hợp kim nhớ hình có thể tự sắp xếp nguyên tử và tồn tại ở hai dạng khác nhau: Cấu trúc tinh thể biến dạng và cấu trúc tinh thể ban đầu. Nhờ vậy, hợp kim vẫn giữ được hình dạng mới cho đến khi được “nhắc nhở” trở lại trạng thái nguyên gốc bằng cách cho nhiệt hoặc dòng điện tác động vào.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp luyện kim hồ quang để tạo ra loại hợp kim này ở dạng khối. Để làm vật liệu mỏng và nhỏ hơn, nhóm sử dụng phương pháp phun băng nguội nhanh.

Sau đó, phương pháp phun xạ được áp dụng giúp tạo ra vật liệu ở dạng nano. Các cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử.

Công trình nghiên cứu được tặng giải thưởng công trình Nghiên cứu cơ bản xuất sắc nhất của Viện Khoa học Vật liệu năm 2022.

Nhiều tiềm năng ứng dụng

GS Dân chia sẻ, yếu tố quan trọng quyết định thành công của loại hợp kim nhớ hình là tỉ lệ từng nguyên tố kim loại trong vật liệu đó. Bởi một hợp kim có nhiều thành phần kim loại khác nhau, việc tìm ra khối lượng phù hợp của từng hợp phần có thể ảnh hưởng cấu trúc và tính chất nhớ hình của vật liệu.

“Một số kim loại như Mangan trong quá trình nấu luyện rất dễ bay hơi, vì vậy phải điều chỉnh và thử nghiệm nhiều tỉ lệ khác nhau, đảm bảo quá trình tản nhiệt mà không ảnh hưởng tới tính chất hợp kim”, ông nói.

SMA đã được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trên thế giới trong những năm gần đây nhưng tại Việt Nam đây là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Do đó, việc chế tạo sản xuất và ứng dụng loại hợp kim thông minh này ở nước ta rất hạn chế. Giá thành chế tạo lại cao nên khả năng ứng dụng trong đời sống chưa nhiều.