Bằng cách trộn lẫn magiê với các hạt nano silic cacbua, các kỹ sư từ Đại học California ở Los Angeles (UCLA) đã phát triển thành công một loại kim loại đặc biệt cứng và nhẹ, có thể được sử dụng để chế tạo máy bay, ô tô, thiết bị điện tử di động và nhiều ứng dụng khác.

Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học từ trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng Henry Samueli của UCLA dẫn dắt đã chế tạo thành công một loại kim loại cấu trúc nhẹ nhưng siêu cứng với suất độ bền và mô đun riêng hay tỷ lệ độ cứng trên khối lượng cực cao. Kim loại mới này được chế tạo bằng cách trộn lẫn magiê với các hạt gốm nano silic cacbua và có thể được sử dụng để chế tạo máy bay, tàu vũ trụ và xe hơi cũng như các thiết bị điện tử di động và các thiết bị y sinh, làm cho các thiết bị này nhẹ hơn và giúp cải thiện hiệu suất năng lượng.

Để chế tạo ra loại kim loại siêu cứng và nhẹ này, nhóm nghiên cứu tìm ra một phương pháp mới để phân tán và làm ổn định các hạt nano trong kim loại nóng chảy. Họ cũng phát triển một phương pháp chế tạo có thể mở rộng quy mô, mở đường cho chế tạo nhiều hơn kim loại nhẹ hiệu suất cao.

“Các nhà khoa học cho rằng các hạt nano có thể làm tăng độ cứng của kim loại mà không ảnh hưởng đến độ dẻo của chúng, đặc biệt là các kim loại nhẹ như magiê, nhưng cho đến nay, không có nhóm nghiên cứu nào có thể phân tán được các hạt gốm nano trong kim loại nóng chảy”, Xiaochun Li, nhà khoa học dẫn dắt nghiên cứu cho biết. Bằng cách kết hợp quy trình xử lý vật lý và quy trình xử lý vật liệu, phương pháp của nhóm nghiên cứu mở ra một cách mới để nâng cao hiệu suất của nhiều loại kim loại khác nhau bằng cách pha trộn với các hạt nano với mật độ dày đặc để nâng cao hiệu suất của kim loại.

Kim loại cấu trúc là kim loại chịu lực; chúng được sử dụng trong các tòa nhà và xe cộ. Magiê với khối lượng riêng chỉ bằng hai phần ba khối lượng riêng của nhôm là kim loại cấu trúc nhẹ nhất. Silic cacbua là loại gốm siêu cứng thường được sử dụng làm lưỡi cắt công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đã trộn lẫn một lượng lớn hạt silic cacbua đường kính nhỏ hơn 100 nanomet với magiê làm tăng đáng kể độ bền, độ cứng và độ dẻo của vật liệu dưới nhiệt độ cao.

Kim loại mới này đã được chứng minh đạt mức kỉ lục về suất độ bền (specific strength) - mức trọng lượng vật liệu có thể chịu được trước khi bị phá vỡ - và mô đun riêng - tỷ lệ độ cứng trên khối lượng của vật liệu. Nó cũng cho thấy tính ổn định cao ở nhiệt độ cao.

Hạt gốm từ lâu đã được coi là phương pháp tiềm năng để làm cho kim loại cứng hơn. Tuy nhiên, việc pha trộn các hạt gốm nhỏ làm giảm độ dẻo của vật liệu. Ngược lại, các hạt nano có thể làm tăng độ bền trong khi vẫn duy trì hoặc thậm chí cải thiện độ dẻo của kim loại nhưng các hạt gốm nano có xu hướng tập trung lại với nhau chứ không phân tán đồng đều, do các hạt nhỏ có xu hướng hút vào nhau.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu phân tán các hạt này trong hợp kim magiê kẽm nóng chảy dựa vào động năng trong chuyển động của các hạt. Điều này giúp làm ổn định sự phân tán của các hạt và ngăn ngừa vón cục.

Để nâng cao hơn nữa độ bền của kim loại mới, các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật xoắn áp lực cao để nén nó. Kim loại mới (chính xác hơn là nanocomposite kim loại) gồm khoảng 14% hạt nano silic cacbua và 86% magiê.

Nhóm nghiên cứu cho biết những gì họ đạt được chỉ là những bước đi đầu tiên trong việc khai phá kho báu ẩn giấu của một thế hệ kim loại mới với những đột phá về tính chất vật lý và khả năng ứng dụng. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng Magiê là một nguồn tài nguyên dồi dào và việc mở rộng quy mô sử dụng nó sẽ không gây ra thiệt hại về môi trường.