Kim loại thủy tinh là vật liệu kết cấu chịu lực tương lai
Mới đây, Phòng thí nghiệm Pasadena thuộc Viện Công nghệ California California Institute of Technology do Giáo sư Vật liệu học William Johnson thành lập đã nghiên cứu chế tạo thành công một chất gọi là kim loại thủy tinh, hay còn gọi là kim loại vô định hình amorphous metal, có trọng lượng nhỏ hơn một nửa hợp kim bình thường và độ bền lớn hơn gấp đôi. Các kim loại vô định hình rất dễ dát mỏng và có biểu hiện rất giống với chất dẻo.
Một tính chất cơ bản của các vật liệu mới này khác so với những hợp kim bình thường đó là: các kim loại vô định hình nhanh nguội và các nguyên tử của chúng đông cứng ngay trước khi có sự thay đổi do sự hình thành tinh thể diễn ra. Do các kim loại thủy tinh không tạo ra các tinh thể nhất định, nên chúng không bị sứt mẻ, không bị ăn mòn và không bị rách như khi các tinh thể điển hình của các kim loại bình thường bị tách ra ngoài.
Hiện nay, một vấn đề nan giải nhất của các kim loại thủy tinh đó là giá của chúng. Do chúng được tạo ra bằng những kim loại đắt tiền như zirconium, titanium, beryllium, nikel và đồng, nên 1 lb 0,45 kg sản phẩm chi phí hết khoảng từ 10 đến 20 USD, trong khi đó đối với thép chi phí vào khoảng 0,25 USD/pao 0,45 kg, hoặc nhôm chi phí chỉ khoảng 1 USD/pao. Chi phí hiện nay bao gồm cả sử dụng kim loại vô định hình trên quy mô rộng hơn. Tuy nhiên, việc nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác định xem liệu các tính chất của những vật liệu này có thể thu được với những nguyên liệu kim loại rẻ tiền hơn như gang chẳng hạn. Trường Đại học Virginia đã phát triển được những hợp kim kim loại vô định hình trên cơ sở nguyên liệu là gang, có thể đúc tới độ dày 1 cm. Công ty Liquidmetal Technologies ở California đã được cấp bản quyền chế tạo vật liệu trên cơ sở gang do Trường đại học nghiên cứu.
Các kim loại thủy tinh được đúc thành tấm lá hứa hẹn cho việc sản xuất các phương tiện giao thông và máy bay thân thiện với môi trường hơn. Việc tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô có liên quan nhiều tới khối lượng của nó. Nếu ô tô nhẹ hơn, sẽ sạch hơn nghĩa là phát thải ít hơn, bởi vì nó cần ít xăng hơn để chạy. Tương tự, các chi tiết kết cấu máy bay làm bằng kim loại vô định hình cũng có thể yêu cầu nhiên liệu ít hơn đáng kể. Bớt đi được 1 pao khối lượng của máy bay phản lực trong vòng đời hoạt động của máy bay, sẽ có giá trị bằng vài trăm nghìn đô la nhiên liệu.
Một trong những tính chất quan trọng nhất của vật liệu đó là khả năng tạo thành dạng bọt. Loại vật liệu này đặc biệt dễ tạo bọt bởi vì chúng dày và rất dẻo. Mặc dù bọt được tạo thành bằng kim loại vô định hình chủ yếu cấu tạo từ không khí, nhưng nó bền hơn đáng kể so với polyetylene. Khi ốp sườn bằng các ván kim loại thủy tinh mỏng, thì những khả năng của bọt vô định hình mới trở lên hấp dẫn: sự kết hợp sẽ tạo nên khả năng chống gỉ và chống cháy, sẽ tác động như một chất cách ly, có thể giảm âm thanh, chống xâm nhập của côn trùng, không chỉ bền vững mà còn siêu nhẹ. Nếu chế tạo các panel bọt dày, thì có thể cân đối giữa độ cứng và cường độ của panel bằng cách chế tạo nó dày hơn mà không làm tăng khối lượng của nó. Có thể lấy cùng một loại vật liệu rồi tạo bọt nó, sẽ thu được kích thước lớn hơn.
Đã xem xét những khả năng ứng dụng thương mại của các kim loại thủy tinh, nhưng cần phải thận trọng. Các nhà nghiên cứu cũng chưa tiến hành xem xét các cây cầu bằng kim loại vô định hình trong một tương lai gần. Vẫn còn chưa đủ 30 năm các kim loại thủy tinh cạnh tranh với các hợp kim bình thường và còn chưa thích hợp đối với những ứng dụng quy mô lớn. Hiện nay, những ứng dụng tốt nhất dành cho vật liệu này sẽ là các kết cấu mà tính năng và hệ số độ bền/khối lượng của chúng cho giá trị lớn nhất. Vì lý do đó, những suy nghĩ của GS. W. Jonhson là hướng vào cơ quan Hàng không vũ trụ quốc gia Mỹ NASA. Theo ông, ở bên ngoài vũ trụ có thể nhận thấy trước hết bởi vì đó là ứng dụng cho kết cấu rất nhạy cảm về khối lượng. Ông đã kiến nghị NASA chế tạo bộ thu năng lượng mặt trời từ việc pha chế kim loại thủy tinh.
Việc vận chuyển kim loại nhẹ vào vũ trụ và chế tạo bọt từ nó ở đó nhằm tạo ra kết cấu có thể rẻ hơn so với vận chuyển kim loại nặng vào vũ trụ. Đề xuất của Jonhson vẫn còn ở những bước đầu, nhưng ông vẫn lạc quan tin tưởng vào nó. Ông nói: Nếu bạn muốn có một bộ khung bền vững nhất với khối lượng nhỏ nhất, thì các vật liệu bọt kim loại thủy tinh này sẽ là một trong những vật liệu tốt nhất.
Đinh Bá Lô
Theo T/C Civil Engineering Mỹ