Kim loại nhớ hình dạng ban đầu là gì

Chắc hẳn bạn sẽ nghĩ bức ảnh này là một kỹ xảo, vì mẩu kim loại kia đang "ngoằn ngoèo" bỗng trở thành cái ghim kẹp giấy? Thế nhưng thực tế không phải vậy, mà đó chỉ đơn thuần là đặc tính của một hợp chất kim loại có tên gọi Nitinol.

Nitinol là gì?

Nitinol là một trong các Hợp kim nhớ hình (Shape memory alloys – SMA) phổ biến nhất. SMA lần đầu được vô tình phát hiện vào năm 1961 bởi William J. Buehler, một nhà nghiên cứu người Mỹ.

Loại hợp kim SMA khi ấy có từ sự kết hợp giữa Nickel và Titanium, nhưng lại được phát hiện tại phòng thí nghiệm Buehler làm việc là Naval Ordnance Laboratory (NOL) nên mới có tên Nitinol.

Tại sao Nitinol có thể "ghi nhớ" hình dạng ban đầu trước khi bị biến dạng?

Tiến sĩ Frederick E. Wang, một chuyên gia trong ngành vật lý tinh thể, là người đầu tiên chỉ ra rằng chính các thay đổi trong cấu trúc ở cấp độ nguyên tử đã giúp Nitinol nói riêng và các SMA nói chung có thể "ghi nhớ" hình dạng.

Một cách hiểu khác, thì Nitinol có thể ghi nhớ hình dạng theo quy luật chuyển biến giữa các pha, trong đó mỗi pha là một sự thay đổi trong cách sắp xếp cấu trúc nguyên tử.

Ví dụ ở trường hợp của Nitinol, hợp kim được làm lạnh sẽ chuyển sang pha lạnh - martensitic, nếu làm nóng lên sẽ lại về pha nóng - austenitic.

Nếu ban đầu Nitinol được làm nóng - chuyển sang pha austenitic - và được tạo hình, đó sẽ là bước ghi nhớ. Khi làm lạnh - pha martensitic - dù bạn có bẻ cong, quấn rối nó như thế nào thì khi được làm nóng lên, nó vẫn trở về hình dạng như cũ mà thôi.

Đó là nguyên lý của hiệu ứng nhớ hình (shape memory effect) trên kim loại ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi.

Đặc tính và ứng dụng của Nitinol

Trước khi Nitinol trở nên phổ biến, đã có rất nhiều ảo thuật gia sử dụng vật liệu này làm đạo cụ cho các màn trình diễn của mình. Một trong những màn ảo thuật phổ biến nhất thời xưa với sự góp mặt của Nitinol là "bẻ cong chiếc thìa trong nước" (tất nhiên là nước nóng).

Trong sản xuất, Nitinol có tính dẫn điện và gia công cơ khí rất tốt. Bên cạnh đó, nhờ lớp oxit titan bảo vệ bề mặt, Nitinol có độ bền rất lâu và khả năng chống ăn mòn cao.

Hơn nữa Nitinol cũng là hợp kim có tính dẻo dai. Kể cả trong quá trình trở lại hình dáng ban đầu nếu gặp phải lực cản, vật liệu này sẽ tạo ra một lực đủ lớn để vượt qua lực cản đó.

Với những khả năng bá đạo như vậy, Nitinol trở thành vật liệu tuyệt hảo khi ứng dụng làm những công cụ y học như chỉnh hình răng, tạo bộ lọc, ống đỡ động mạch, neo xương... Loại vật liệu này dự tính có thể thay thế thép không gỉ trong lĩnh vực này.

Với những ứng dụng trên, Nitinol không chỉ phục vụ trong lĩnh vực giải trí mà còn là một vật liệu sản xuất vô cùng hữu dụng trong cuộc sống hàng ngày. Và riêng với khoa học, ứng dụng của Nitinol còn được cho là vô biên nữa cơ.

Giáo sư Manfred Wuttig của đại học Maryland, một trong những tác giả chính của nghiên cứu cho biết “Thông thường các hợp kim nhớ hình dạng - giống các loại dùng trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu (minimally invasive surgery hay MIS) - lấy lại hình dạng chỉ trong một hoặc một vài lần, chứ không thể rất nhiều lần”. Richard James một nhà khoa học vật liệu nhớ hàng đầu tại đại học Minnesota, người không hề liên quan đến nghiên cứu cũng phải công nhận: "Cá nhân tôi đã làm rất nhiều, rất nhiều về các hợp kim [nhớ hình dạng], những hợp kim mà có các đặc tính cực kỳ thú vị, nhưng không một loại hợp kim nào có thể sử dụng sau vài chu kỳ”

Về nguyên lý, đặc tính phi thường này có được là nhờ vào cấu trúc nguyên tử của các thành phần trong hợp kim. Theo đó, các nguyên tử nickel, titan và đồng có thể tự sắp xếp theo hai cách khác nhau. Đặc biệt là chúng có thể chuyển đổi qua lại nhiều lần giữa các cách này. Nhờ vậy nên khi uốn cong, hợp kim sẽ giữ nguyên hình dạng mới cho đến khi nó được “nhắc nhở” trở lại trạng thái nguyên gốc bằng cách sử dụng nhiệt. Ngoài ra, nó có thể “nhớ” được hình dạng ban đầu trong vòng 10 triệu chu kỳ trong khi những hợp kim trước đó có xu hướng mất khả năng phục hồi sau một số lần nhất định.

Được biết, trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã vấp phải khó khăn lớn là làm sao để có thể thực hiện được số lần uốn cong, đốt nóng lên đến 10 triệu lần như thế. Đây là một số lần khá lớn để một người thực hiện. Wutting cho biết “Để kéo dãn thì nó không quá khó, bạn có thể mua [hoặc xây] những máy ứng suất biến dạng (stress-strain machine) nhỏ… Khi đó, quá trình này có thể tự động hóa”. Tuy nhiên, khó khăn nằm ở chỗ họ phải dùng nhiệt để giúp hợp kim trở lại hình dạng ban đầu sau mỗi chu kỳ. Để có thể giải quyết vấn đề này, Wutting và đồng nghiệp đã phải sử dụng một lò chuyên dụng. Tuy nhiên nhóm cho biết, cũng đã phải mất một vài tuần để tiến hành những thử nghiệm này.

Nói về ứng dụng của loại vật liệu này, Richard James cho biết: “Đây thực sự là một bước đột phá lớn, và nó có thể làm cho các hợp kim ‘nhớ hình dạng’ được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghệ hàng ngày”. Một số ứng dụng tiềm năng có thể kể đến như van nhân tạo, hay trong lĩnh vực vận tải có thể dùng làm vật liệu cho máy bay hoặc ứng dụng trong những sản phẩm tiêu dùng như tủ lạnh…

Đây là video giới thiệu một loại hợp kim nhớ và khả năng của nó, các bạn có thể xem thêm các video tương tự với từ khóa “shape memory alloy”. Video này chỉ để cho các bạn thấy khả năng phụ hồi hình dạng chứ không thể hiện thành quả của nghiên cứu này.