Hệ thống kênh vi mạch cho phép vật liệu tổng hợp tự sửa chữa nhiều lần
Sợi tổng hợp gia cường được đan hình chữ chi (trên) cho thấy khả năng phục hồi hiệu quả hơn nếu đan song song (dưới).
Chúng ta đã biết đến những loại polymer có khả năng phục hồi cho phép vật liệu tự sửa chữa sau khi bị hư hỏng. Một trong số những phương pháp phổ biến để chế tạo loại polymer này là sử dụng các viên nén micro nhúng trong cấu trúc polymer để khi bị đứt vỡ, chúng sẽ giải phóng tác nhân phục hồi. Các nhà nghiên cứu giờ đây đã mở rộng ý tưởng này để phát triển một kỹ thuật mới giúp đưa khả năng tự phục hồi lên các vật liệu bằng sợi tổng hợp gia cường, tương tự những vật liệu được sử dụng trên máy bay và xe hơi.
Hệ thống tự phục hồi được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại nhóm hệ thống vật liệu tự động (AMS) thuộc viện Beckman tại đại học Illinois, Urbana-Champaign đã thay thế các viên nén micro bằng các kênh vi mạch tách biệt, một kênh được bơm đầy nhựa resin epoxy, kênh còn lại chứa chất làm cứng. Khi sợi tổng hợp gia cường trên vật liệu bị hư hại, mạng lưới vi mạch 3D này sẽ bị đứt gãy, chất lỏng trong 2 kênh được tiết ra, hòa vào nhau và được polymer hóa để sửa chữa vật liệu. Các nhà nghiên cứu cho biết kỹ thuật này cho phép vật liệu có thể tự phục hồi nhiều lần.
Scott White, giáo sư kỹ thuật hàng không tham gia nghiên cứu cho biết: "Đây là minh chứng đầu tiên về khả năng phục hồi lặp lại nhiều lần trong một hệ thống sợi tổng hợp gia cường. Khả năng phục hồi từng được thực hiện thành công trên polymer với nhiều kỹ thuật và cấu trúc khác nhau nhưng chúng vẫn chưa được áp dụng vào vật liệu được dệt bằng sợi tổng hợp gia cường. Yếu tố còn thiếu là việc phát triển kỹ thuật phân bố kênh vi mạch bên trong vật liệu."
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng nếu mạng lưới kênh vi mạch được đan chữ chi thay vì đan song song theo đường thẳng, các tác nhân phục hồi sẽ kết hợp với nhau hiệu quả hơn khi chúng được giải phóng vào điểm đứt gãy. Các kênh vi mạch chồng lên nhau cũng giúp tăng cường quá trình hòa trộn của chất lỏng. "Thêm vào đó, việc tạo ra mạng lưới mạch tích hợp xuyên suốt trong vật liệu bằng quy trình sản xuất polymer tổng hợp thông thường sẽ mở ra các ứng dụng thương mại cho kỹ thuật trên," Nancy Sottos - giáo sư kỹ thuật và khoa học vật liệu cho biết.
Sự phân bố mạch được tạo ra với cùng một quy trình được sử dụng để chế tạo vật liệu sợi tổng hợp dát mỏng trong đó nhiều lớp vải sợi gia cường được đan và xếp chồng lên nhau sau đó được ngâm với một loại nhựa resin polymer kết dính. Với phương pháp tương tự, nhóm nghiên cứu đã may một sợi polymer có thể phân hủy sinh học vào tấm vật liệu tổng hợp. Sợi polymer này được gọi là sợi "thế mạng" bởi sau khi vật liệu được chế tạo, nó sẽ bị nung chảy và làm bay hơi các sợi, để lại các kênh vi mạch rỗng hình thành mạng lưới vi mạch bên trong hệ thống tự phục hồi.
Ứng viên tiến sĩ ngành kỹ thuật xây dựng Jason Patrick cho biết: "Điều tuyệt vời nhất trong phương pháp tiếp cận này là chúng tôi không cần khai thông cấu trúc và tại nơi bị hỏng, vật liệu sẽ tự sửa chữa. Khi xuất hiện một vết đứt gãy, điều này làm gián đoạn mạng lưới kênh vi mạch chứa tác nhân phục hồi và chúng tự dộng được giải phóng vào vết nứt, giống như khi bạn bị đứt tay. Tác nhân phục hồi từ 2 kênh tiếp xúc với nhau bên trong vật liệu và chúng polymer hóa để hình thành một loại keo cấu trúc tại khu vực bị hư hỏng. Chúng tôi đã thử nghiệm kỹ thuật này rất nhiều lần và tất cả các vết nứt đều được phục hồi thành công ở tỉ lệ hiệu quả gần 100%."
Xem thêm:
