Các thợ rèn sớm nhất trong thời đại đồng và sắt phát hiện rằng khi kim loại bị biến dạng bằng cách uốn hoặc đập, nó sẽ trở nên cứng hơn. Quá trình này được gọi là cứng hóa do chế biến hoặc cứng hóa do biến dạng, và hiện nay vẫn được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất kim loại để tăng cường độ bền cho các cơ sở như khung ô tô hay dây điện trên không. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học vật liệu vẫn chưa thể quan sát quá trình quan trọng này một cách trực tiếp.
(Nguồn ảnh: nature.com)
Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Đại học Harvard đã lần đầu tiên quan sát được cơ chế cụ thể thúc đẩy quá trình cứng hóa do chế biến. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật (MRSEC) của Đại học Harvard, với hy vọng có thể ảnh hưởng sâu rộng đến thiết kế và sản xuất vật liệu nhờ hiểu rõ hơn về độ bền của chúng. Bài báo liên quan đã được công bố trên tạp chí “Tự nhiên (Nature)”.
Nhà nghiên cứu Frans Spaepen cho biết: “Cứng hóa do chế biến được sử dụng trong nhiều quá trình biến hình công nghiệp. Hiện tại, người ta đang sử dụng các chương trình máy tính lớn để mô hình hóa cứng hóa do chế biến, nhưng để làm cho những mô hình này hiệu quả hơn, chúng ta cần hiểu rõ hơn về các cơ chế tiềm ẩn kiểm soát quá trình này. Công việc này đã cung cấp cho chúng ta một cửa sổ trực tiếp để hiểu quá trình cứng hóa do chế biến”.
Không thể quan sát cứng hóa do chế biến trong kim loại theo thời gian thực vì chỉ có thể quan sát cấu trúc nguyên tử bằng kính hiển vi electron. Các nhà nghiên cứu chỉ có thể so sánh cấu trúc trước và sau biến dạng, nhưng cũng chỉ có thể hiểu hạn chế về những gì xảy ra trong quá trình này. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các khuyết tật trong cấu trúc (được gọi là độ sai lệch) tạo thành mạng lưới khuyết tật, dẫn đến cứng hóa do chế biến. Nhà nghiên cứu Ilya Svetlizky nói: “Hiện tại, chưa rõ sự phức tạp tổng thể của sự tương tác giữa các khuyết tật gây ra sự cứng hóa trong các tinh thể nguyên tử này”.
Để hiểu các phần chính trong quá trình này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang tinh thể keo, các hạt lớn hơn khoảng 10.000 lần so với nguyên tử, có thể tự phát hình thành cấu trúc tinh thể ở nồng độ cao. Những tinh thể này có thể được sử dụng để mô phỏng các hệ thống nguyên tử vì chúng có cấu trúc tương tự, trải qua cùng một quá trình chuyển pha và sở hữu các khuyết tật tương tự. Tuy nhiên, tinh thể keo rất mềm, mềm hơn 100.000 lần so với món tráng miệng trong suốt Jell-O của Mỹ.
Các nhà nghiên cứu đã nuôi cấy tinh thể keo bao gồm hàng triệu hạt và sử dụng kính hiển vi quang học đồng miền để quan sát từng hạt. Khi áp dụng biến dạng lên những tinh thể này, họ có thể đo chuyển động của từng hạt. Thật bất ngờ, những tinh thể keo này đã trải qua cứng hóa do chế biến rõ rệt, thậm chí còn mạnh mẽ hơn bất kỳ vật liệu nào khác. Thực tế, khi xem xét sự khác biệt về kích thước hạt, những vật liệu siêu mềm này trở nên cứng hơn so với các kim loại khác. Nhà nghiên cứu Seongsoo Kim cho biết: “Chúng tôi không nghĩ rằng những tinh thể keo hình cầu cứng sẽ xảy ra hiện tượng cứng hóa do chế biến. So với kim loại thông thường, sự tương tác giữa các hạt này là rất đơn giản. Thực tế, chúng tôi phát hiện rằng những vật liệu mềm này thể hiện cứng hóa do chế biến rõ rệt, thậm chí vượt qua hầu hết các kim loại đồng và nhôm”.
Đây là lần đầu tiên cứng hóa do chế biến được quan sát trong tinh thể keo. Kết quả cho thấy quá trình này chủ yếu do hình dạng hình học và khuyết tật của các hạt kiểm soát. Nhờ vào khuyết tật độ sai lệch và cách chúng tương tác và kết hợp với nhau, những tinh thể này trở nên cứng hơn. Những quan sát này tiết lộ cơ chế chung của cứng hóa do chế biến, và điều này sẽ áp dụng rộng rãi hơn cho tất cả các vật liệu, ngay cả những vật liệu không thể nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học. Những tinh thể keo mềm này thể hiện cứng hóa do chế biến xuất sắc đến mức chúng có thể chứa một mật độ khuyết tật rất cao.
Nhà nghiên cứu David A. Weitz cho biết: “Nghiên cứu này cho thấy một số cơ chế cơ bản và phổ biến dẫn đến việc vật liệu trở nên cứng hơn. Những vật liệu này rất hấp dẫn, mặc dù rất mềm, nhưng cứng hóa do chế biến khiến chúng trở thành một trong những vật liệu cứng nhất đã biết”.