Các thành phần của vật liệu như lốp ô tô, mô tế bào và mạng nhện rất khác nhau, nhưng chúng đều chứa các mạng lưới cấu thành từ các chuỗi liên kết với nhau. Một câu hỏi lâu nay tồn tại về độ bền của những vật liệu này là: Cần bao nhiêu năng lượng để phá hủy những mạng lưới khác nhau này? Theo báo chí nước ngoài, 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 những hiểu biết mới về vấn đề này.
(Nguồn ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts)
Giáo sư Xuanhe Zhao, chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại MIT, cho biết: “Kết quả nghiên cứu này tiết lộ một quy luật đơn giản và phổ quát, quy luật này kiểm soát năng lượng phá hủy của mạng lưới giữa các vật liệu và tỷ lệ chiều dài khác nhau. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết kế vật liệu mới, cấu trúc mới và siêu vật liệu, giúp tạo ra những hệ thống cực kỳ bền, linh hoạt và có thể kéo dài.”
Mặc dù người ta đã nhận ra tầm quan trọng của khả năng chống hỏng hóc trong việc 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 kết nối để dự đoán hiệu suất phá hủy toàn bộ. Nghiên cứu mới này đã công bố một định luật tỉ lệ phổ quát có thể áp dụng cho nhiều tỷ lệ chiều dài khác nhau và hứa hẹn dự đoán năng lượng phá hủy nội tại của các mạng lưới khác nhau.
Chase Hartquist, một trong những tác giả chính của bài báo và cũng là nghiên cứu sinh, cho biết: “Lý thuyết này hỗ trợ trong việc dự đoán lượng năng lượng cần thiết để phá hủy những mạng lưới này thông qua việc tạo ra các vết nứt. Thật bất ngờ, bằng cách làm cho các chuỗi dài hơn, linh hoạt hơn hoặc chống lại sức mạnh lớn hơn trước khi bị phá hủy, mọi người có thể thiết kế các phiên bản cứng hơn của những vật liệu này.”
Để xác minh những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã in 3D một mạng lưới khổng lồ, có thể kéo dài, cho phép họ trình diễn khả năng phá hủy trong thực hành. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mặc dù có sự khác biệt trong các mạng lưới, chúng vẫn 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 giúp mạng lưới trở nên vững chắc hơn. Hartquist cho biết: “Bằng cách điều chỉnh những đặc tính này, lốp ô tô có thể sử dụng lâu hơn, mô tế bào có thể chống lại tổn thương tốt hơn, và mạng nhện cũng có thể trở nên bền bỉ hơn.”
Shu Wang, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của 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 dễ dàng hơn trong việc thiết kế vật liệu tối ưu cho các tình huống cụ thể.
Nghiên cứu này đại diện cho sự tiến bộ trong lĩnh vực “vật liệu cấu trúc” nổi lên. Trong lĩnh vực này, cấu trúc của vật liệu tự thân cung cấp cho nó những tính chất độc đáo. Các nhà nghiên cứu cho biết phát hiện này tiết lộ cách mà sự chú tâm vào việc thiết kế các phần của cấu trúc trở nên vững chắc và có thể kéo dài hơn, làm cho những vật liệu này bền bỉ hơn. Chiến lược này có thể áp dụng cho các vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, giúp tăng độ bền của bộ phận thực hiện của robot mềm, tăng cường độ dẻo dai của mô hình kỹ thuật, và ngay cả cho chế tạo lưới đàn hồi cho công nghệ hàng không vũ trụ.