Sự kỳ diệu của vật liệu giống cơ thể sống: Tự phục hồi khi hư hỏng

Trong tự nhiên, cơ thể sinh vật có khả năng tự chữa lành những vết thương nhờ các quá trình sinh học phức tạp. Lấy cảm hứng từ cơ chế đó, các nhà khoa học đã phát triển vật liệu tự phục hồi (self-healing materials) – nhóm vật liệu có khả năng tự sửa chữa các vết nứt, trầy xước hoặc hư hỏng nhỏ, từ đó kéo dài tuổi thọ và nâng cao độ an toàn của sản phẩm.

Ảnh: mdpi

Một trong những cách tiếp cận phổ biến nhất là đưa vào vật liệu các vi nang cực nhỏ chứa chất kết dính. Khi xuất hiện vết nứt, các vi nang bị vỡ, giải phóng chất lỏng vào vùng hư hại. Chất này sau đó phản ứng với môi trường hoặc một chất xúc tác có sẵn trong vật liệu để tạo thành lớp "keo" mới, hàn kín vết nứt trước khi nó lan rộng. Cơ chế này có phần giống như máu đông lại để bịt kín vết thương trên cơ thể người.

Một hướng nghiên cứu khác sử dụng các polymer động, trong đó các liên kết hóa học có thể tách ra rồi tái hình thành dưới tác động của nhiệt, ánh sáng, độ ẩm hoặc dòng điện. Nhờ đó, những vết cắt hoặc biến dạng nhỏ có thể dần biến mất khi vật liệu được đặt trong điều kiện thích hợp. Một số loại hydrogel và cao su thông minh thậm chí có thể tự liền lại chỉ sau vài phút hoặc vài giờ.

Ảnh: coredailyscience.blogspot

Ứng dụng của vật liệu tự phục hồi rất đa dạng. Trong ngành hàng không và vũ trụ, chúng có thể giúp giảm nguy cơ các vết nứt nhỏ phát triển thành hỏng hóc nghiêm trọng trên thân máy bay hoặc tàu vũ trụ. Trong xây dựng, các loại bê tông tự phục hồi sử dụng vi khuẩn hoặc hợp chất khoáng có thể tự lấp kín các khe nứt nhỏ khi nước thấm vào, góp phần kéo dài tuổi thọ của cầu, đường và công trình. Ở lĩnh vực điện tử, các mạch dẫn điện mềm có khả năng tự phục hồi đang được nghiên cứu để sử dụng trong thiết bị đeo thông minh và robot mềm.

Một ứng dụng đầy triển vọng khác là pin và vật liệu lưu trữ năng lượng. Trong quá trình sạc và xả nhiều lần, điện cực thường xuất hiện các vết nứt li ti làm giảm tuổi thọ pin. Việc sử dụng chất kết dính hoặc polymer tự phục hồi có thể giúp hạn chế hiện tượng này, từ đó tăng độ bền và hiệu suất của pin trong tương lai.

Ảnh: plasticsengineering

Dù vậy, vật liệu tự phục hồi hiện vẫn còn nhiều thách thức. Phần lớn chỉ có thể sửa chữa những hư hỏng nhỏ chứ chưa thể khôi phục hoàn toàn các vết gãy lớn. Một số vật liệu cần nhiệt hoặc ánh sáng để kích hoạt quá trình phục hồi, trong khi chi phí sản xuất vẫn cao hơn vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, với sự phát triển của hóa học vật liệu, công nghệ nano và trí tuệ nhân tạo, những hạn chế này đang dần được cải thiện.

Có thể nói, vật liệu tự phục hồi đang mở ra một hướng đi mới trong khoa học vật liệu. Nếu trong tương lai ô tô, điện thoại, cầu đường hay tàu vũ trụ đều có thể tự "chữa lành" những hư hỏng nhỏ, con người sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí bảo trì, giảm lượng chất thải và nâng cao độ an toàn của nhiều công trình. Những vật liệu biết "tự chữa bệnh" có thể sẽ trở thành một phần quen thuộc của cuộc sống trong những thập kỷ tới.

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước

Thanh Bình (tổng hợp)