Thành phần của vật liệu như lốp xe ô tô, mô người và mạng nhện rất khác nhau, nhưng tất cả đều bao gồm các cấu trúc mạng được tạo thành từ các chuỗi liên kết với nhau. Về độ bền của các vật liệu này, một câu hỏi lâu dài là: cần bao nhiêu năng lượng để phá hủy những cấu trúc mạng khác nhau này? Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông quốc tế, gần đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã công bố một bài báo trên tạp chí “Physical Review X”, cung cấp cái nhìn mới cho vấn đề này.
(Nguồn ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts)
Giáo sư Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Xây dựng & Môi trường Xuanhe Zhao cho biết: “Kết quả nghiên cứu này tiết lộ một quy luật đơn giản và phổ quát, điều khiển năng lượng đứt gãy của các mạng lưới khác nhau về vật liệu và tỉ lệ chiều dài. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế vật liệu, cấu trúc mới và siêu vật liệu, giúp tạo ra các hệ thống chịu lực cực kỳ bền, mềm mại và có khả năng kéo giãn.”
Mặc dù con người đã nhận thức được tầm quan trọng của khả năng chống hỏng trong thiết kế các mạng lưới như vậy, nhưng cho đến nay, các mô hình vật lý hiện có vẫn chưa liên kết hiệu quả cơ học chuỗi và độ liên kết với nhau để dự đoán hiệu suất đứt gãy tổng thể. Nghiên cứu mới này đã tiết lộ một luật tỷ lệ phổ quát có thể áp dụng cho các tỉ lệ chiều dài khác nhau, và có tiềm năng dự đoán năng lượng đứt gãy vốn có của các mạng lưới khác nhau.
Một trong những tác giả chính của bài báo, sinh viên nghiên cứu sinh Chase Hartquist cho biết: “Lý thuyết này giúp dự đoán lượng năng lượng cần thiết để phá hủy các mạng lưới này thông qua sự phát triển của các vết nứt. Thực tế cho thấy, bằng cách làm cho các chuỗi này dài hơn, dẻo dai hơn, hoặc chịu đựng lực lớn hơn trước khi đứt, người ta có thể thiết kế các phiên bản cứng hơn của vật liệu này.”
Để xác minh những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã in 3D một mạng lưới khổng lồ, có thể kéo giãn, giúp họ trình diễn các đặc tính đứt gãy trong thực tế. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng, mặc dù có sự khác biệt trong các mạng lưới, nhưng tất cả đều tuân theo một quy tắc đơn giản và có thể dự đoán. Ngoài việc thay đổi bản thân các chuỗi, việc kết nối các chuỗi thành các vòng lớn hơn cũng có thể gia tăng độ bền của mạng lưới. Hartquist cho biết: “Bằng cách điều chỉnh những đặc tính này, lốp xe ô tô có thể sử dụng lâu hơn, mô có thể chống lại tổn thương tốt hơn, và mạng nhện có thể trở nên bền bỉ hơn.”
Shu Wang, nghiên cứu sinh của phòng thí nghiệm Zhao, cho rằng điều này có nghĩa là quy tắc tương tự có thể áp dụng để mô tả nhiều loại vật liệu khác nhau, từ đó giúp thiết kế vật liệu tốt nhất cho từng trường hợp.
Nghiên cứu này đại diện cho sự tiến bộ trong lĩnh vực “vật liệu kiến trúc” đang nổi lên. Trong lĩnh vực này, cấu trúc của vật liệu tự nó mang lại những đặc tính độc đáo. Các nhà nghiên cứu cho biết, phát hiện này tiết lộ cách thiết kế các mảnh trong cấu trúc trở nên bền bỉ và có khả năng kéo giãn hơn, từ đó làm cho các vật liệu này trở nên dai hơn. Chiến lược này áp dụng cho các vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể được sử dụng để nâng cao độ bền của các bộ điều khiển robot mềm, tăng cường khả năng linh hoạt của các tổ chức kỹ thuật, thậm chí để sản xuất lưới đàn hồi cho công nghệ hàng không vũ trụ.