Ứng dụng giãn nở kế quang học Optical Dilatometer DIL 806 của TA Instruments trong nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Communications.

Một nhóm nghiên cứu ở Khoa vật liệu của viện ETH Zurich (Thụy Sỹ) sử dụng giãn nở kế quang học Optical Dilatometer DIL 806 của TA Instrument đã thành công trong việc công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí  Nature Communications tháng 12 năm 2016.

Lấy ý tưởng về khả năng tự thay đổi hình dạng của thực vật trước các yếu tố của môi trường như nhiệt độ hay độ ẩm, nhóm nghiên cứu trên đã thành công trong việc tìm ra vật liệu gốm ceramic có khả năng tự định hình trong quá trình thiêu kết (sintering) ở nhiệt độ cao. Chúng ta có thể lấy vảy của quả thông để làm ví dụ minh họa: mặc dù 2 lớp vảy được làm từ cùng loại vật liệu, nhưng chúng giãn nở khác nhau dưới tác động của độ ẩm để xòe ra hay khép lại đáp ứng theo tình hình thời tiết.

Thông thường, việc tạo ra gốm với các hình dạng phức tạp đòi hỏi những kỹ thuật chế tạo từ trên xuống (top-down fabriacation) chẳng hạn như ép phun, đông tụ tại chỗ hoặc keo hóa, gia công các hợp chất bột ép, hoặc kỹ thuật sản xuất phụ gia. Trong khi đó, nghiên cứu này chỉ ra cách lập trình vi cấu trúc của vật liệu để gốm tự tạo nên hình dạng bằng cách dãn nở nhiệt không đồng đều trong quá trình xử lý nhiệt. Các nhà nghiên cứu đã có thể kiểm soát hoàn toàn sự thay đổi hình dạng của vật liệu trong quá trình thiêu kết để tạo ra các cấu trúc gập cong, xoắn hay tổ hợp của các cấu trúc trên để tạo nên hàng loạt các cấu trúc phức tạp (Hình 1). Sự đơn giản cũng như khả năng áp dụng rộng rãi của kỹ thuật này cho phép chế tạo gốm giá thành thấp với những hình dạng độc đáo cùng khả năng chống chịu nhiệt tốt.

 Hình 1. Thiết kế và quy trình sản xuất vi cấu trúc 2 tầng để định hình vật liệu gốm trong quá trình thiêu kết. Tùy theo vi cấu trúc của từng tầng mà có thể tạo nên hình dạng gập công (a) hoặc xoắn (b). (c) là sơ đồ quy trình sản xuất vật liệu gốm tự đình hình. (d) là minh họa cho phương pháp được sử dụng để định hướng  vi cấu trúc sử dụng từ trường. (e) Sự tăng pH hình thành do phản ứng được xúc tác bởi urease được sử dụng để cố định vi cấu trúc sau khi được định hướng trong từ trường. (Hình ảnh được sao chép và lược dịch  theo Bargardi, F. Et al, 2016)

Hình 2. Thay đổi hình dạng của gốm 2 tầng với độ dày được thay đổi. (a) Tầng gốm đơn với khả năng giãn nở nhiệt không dồng đều trong quá trình thiêu kết.(b) Thiêu kết tạo cấu trúc gập cong 2 tầng, độ cong giảm theo cấp độ lũy thừa khi độ dày được tăng lên. (c) Thiêu kết tạo cấu trúc xoắn 2 tầng, bán kính và biên đọ xoắn cũng thay đổi theo độ dày.  (Hình ảnh được sao chép và lược dịch  theo Bargardi, F. Et al, 2016)

Thiết bị giãn nở kế quang học DIL 806 của TA Instruments đã đóng góp một phần không nhỏ vào kết quả nghiên cứu này. Sử dụng tính năng phân tích quá trình thiêu kết của DIL 806 (Hình 2), các nhà khoa học đã tìm ra cách lập trình nên những cấu trúc gập cong và xoắn bằng cách định hướng của vi cấu trúc và thay đổi độ dày của vật liệu. Không chỉ vậy, họ còn có thể lập trình để tạo nên những cấu trúc gập cong và xoắn phức tạp (Hình 3).

Hình 3. Lập trình vật liệu tự định dạng là phương pháp có thể thiết kế những cấu trucjsg gốm phức tạp. (Hình ảnh được sao chép và lược dịch  theo Bargardi, F. Et al, 2016)

Khác với các loại giãn nở kế thông thường, giãn nở kế quang học DIL 806 của TA Instruments sử dụng phương pháp quang học để cho phép nghiên cứu sự giãn nở của vật liệu mà không cần phải trực tiếp tiếp xúc với mẫu nên phương pháp này tránh được sai số phát sinh do sự giãn nở nhiệt của chính thiết bị, đồng thời không cần phải hiệu chỉnh (calibration) lại thiết bị cho từng chương trình nhiệt khác nhau. Mang bằng phát minh sáng chế độc quyền của Mỹ (US Patent No. 7524105), phương pháp này còn đặc biệt thích hợp với các các vật liệu tạo nên hình dạng bất thường hoặc các vật liệu mềm. Nhờ vào sự linh thoạt thích ứng với nhiều loại mẫu khác nhau, cùng với kết quả đo tuyệt đối, cùng với thiết kế buồng đốt động đảm bảo độ đồng đều và chính xác của chương trình nhiệt, DIL 806 của TA Instruments được được các trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới về khoa học vật liệu tin dùng.

Bài việt dựa trên bài báo gốc của tạp chí Nature Communications:

Bargardi, F., Le Ferrand, H., Libanori, R. et al. Bio-inspired self-shaping ceramics. Nat Commun 7, 13912 (2016)

https://doi.org/10.1038/ncomms13912

Vũ Sỹ