Vật liệu tổng hợp mô phỏng vỏ sò để tăng khả năng hấp thụ năng lượng
Tác giả: Lois Yoksoulian, Đại học Illinois tại Urbana-Champaign
Giáo sư Shelly Zhang của Illinois, ở giữa, cùng các nhà nghiên cứu Rahul Dev Kundu, bên trái, và Shi Zhao, bên phải, đã phát triển một vật liệu tổng hợp nhiều lớp, tương tự như vỏ sò, trong đó mỗi lớp phản ứng với ứng suất khác nhau. Các nhà nghiên cứu hình dung công nghệ này sẽ được sử dụng trong những thứ như cản xe hơi và băng quấn đeo được. Tín dụng: Fred Zwicky
Hàng triệu năm tiến hóa đã giúp một số loài động vật biển phát triển lớp vỏ bảo vệ phức tạp bao gồm nhiều lớp hoạt động cùng nhau để phân tán ứng suất vật lý. Trong một nghiên cứu mới, các kỹ sư đã tìm ra cách mô phỏng hành vi của loại vật liệu nhiều lớp này, chẳng hạn như xà cừ vỏ sò, bằng cách lập trình các lớp vật liệu tổng hợp riêng lẻ để hoạt động phối hợp dưới ứng suất. Thiết kế vật liệu mới này được thiết kế để tăng cường các hệ thống hấp thụ năng lượng như băng quấn đeo được và cản xe hơi với các phản ứng nhiều giai đoạn thích ứng với mức độ nghiêm trọng của va chạm.
Nhiều nghiên cứu trước đây tập trung vào kỹ thuật đảo ngược để sao chép hành vi của các vật liệu tự nhiên như xương, lông vũ và gỗ để tái tạo phản ứng phi tuyến tính của chúng đối với ứng suất cơ học. Một nghiên cứu mới do giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường Shelly Zhang của Đại học Illinois Urbana-Champaign và giáo sư Ole Sigmund của Đại học Kỹ thuật Đan Mạch đứng đầu đã xem xét vượt ra ngoài kỹ thuật đảo ngược để phát triển một khuôn khổ cho các vật liệu nhiều lớp có thể lập trình có khả năng phản ứng với các nhiễu loạn cục bộ thông qua các kết nối vi mô.
Các phát hiện của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances.
"Công trình này ra đời sau cuộc thảo luận với cộng sự của tôi, Giáo sư Sigmund, về cách chúng ta có thể đạt được một số hành vi cực đoan, nhưng luôn có một giới hạn vật lý hoặc ranh giới trên mà các vật liệu đơn lẻ có thể đạt được, ngay cả khi lập trình", Zhang cho biết. "Điều đó khiến chúng tôi cân nhắc loại kỹ thuật nào có thể cho phép một số hành vi vật liệu điên rồ cần thiết trong cuộc sống thực. Ví dụ, hành vi uốn cong cực độ có thể giúp phân tán năng lượng cho những thứ như cản xe hơi".
Đó là lúc nhóm chuyển sự chú ý của họ sang vật liệu sinh học với nhiều lớp phục vụ cho mục đích khác nhau và cách họ có thể chế tạo vật liệu tổng hợp và sử dụng lập trình và tối ưu hóa vi mô bên trong để kiểm soát phản ứng của nó với ứng suất và biến dạng cơ học.
"Chúng tôi nảy ra ý tưởng thiết kế vật liệu nhiều lớp, trong đó mỗi lớp có khả năng thể hiện các đặc tính và hành vi khác nhau", Zhang cho biết.
Nhưng không dừng lại ở đó, nhóm đã thúc đẩy bản thân đưa khả năng của từng lớp hợp tác để về cơ bản hoạt động như một.
"Khung mới của chúng tôi có một số lợi thế so với các phương pháp hiện có đối với phản ứng ứng suất-biến dạng phi tuyến tính", Zhang cho biết. "Nó tối ưu hóa nhiều lớp giống như xà cừ cùng với các kết nối của chúng trong thiết lập liên tục, giúp mở rộng đáng kể không gian thiết kế so với công trình tương tự liên quan đến thiết lập một lớp hoặc cấu trúc mạng".
Trong quá trình chế tạo, nhóm đã rút ra được một số bài học. Ý tưởng lý thuyết đằng sau công trình này là có một vật liệu tuần hoàn vô hạn. Tuy nhiên, nhóm phải chế tạo các đơn vị hữu hạn và người ta mong đợi rằng vật liệu lý thuyết và vật liệu chế tạo thực tế sẽ thể hiện các hành vi khác nhau.
"Sự khác biệt mà chúng tôi tìm thấy là điều luôn xảy ra trong cuộc sống thực", Zhang cho biết. "Nhưng chúng tôi có thể khai thác thông tin này để cố ý lập trình trình tự uốn cong của từng ô riêng lẻ trong quá trình lắp ráp, lưu trữ một số thông tin bên trong và sau đó chúng tôi có thể giải mã thông tin. Thật thú vị khi nắm bắt được sự khác biệt này và cuối cùng cung cấp thông tin cần thiết để cải thiện công việc".
Vẫn còn rất nhiều việc phải làm để mở rộng quy mô chế tạo loại vật liệu này, nhưng Zhang cho biết một điều giá trị rút ra được từ nghiên cứu này là khi mọi người hợp tác, họ sẽ đạt được những điều tuyệt vời hơn nhiều.
"Tôi nghĩ điều đó cũng đúng với vật liệu", Zhang cho biết. "Khi các vật liệu khác nhau cùng làm việc với nhau, chúng có thể tạo ra những thứ có tác động lớn hơn nhiều so với khi chúng làm việc riêng lẻ".
Thông tin thêm: Zhi Zhao và cộng sự, Tính phi tuyến tính cực độ của vật liệu nhiều lớp thông qua thiết kế ngược, Science Advances (2025).DOI: 10.1126/sciadv.adr6925
Thông tin tạp chí: Science Advances
Do Đại học Illinois tại Urbana-Champaign cung cấp
