Loại vật liệu mới được chứng minh đạt đến giới hạn của độ cứng, lại vô cùng nhẹ

Loại bọt biển hữu dụng nhất trong vũ trụ.

Các nhà khoa học đã chứng minh được loại siêu vật liệu 3D mới được họ thiết kế chính là cấu trúc đầu tiên của loại hình này đạt đến giới hạn của lý thuyết về độ cứng.

Được gọi là Isomax, loại vật liệu này có thành phần bọt biển cứng, được tạo thành bằng cách lặp đi lặp lại các tế bào có dạng hình học. Những cấu trúc như thế này là một ví dụ về loại vật liệu không đồng nhất (vật liệu được tạo thành từ các thành phần khác nhau), mặc dù Isomax phần lớn được lấp đầy bởi không khí và không gian trống, nó thực sự là loại vật liệu tổng hợp cứng nhất từng được thiết kế.

“Cấu trúc hình học của Isomax được tối đa hóa về độ cứng ở mọi hướng”, nhà khoa học vật liệu Jonathan Berger từ UC Santa Barbara giải thích.

Berger hình thành ý tưởng thiết kế Isomax lần đầu tiên vào năm 2015, khi ông đang tìm kiếm một loại vật liệu có độ cứng lớn nhất và nhẹ nhất có thể. Ý tưởng để hình thành vật liệu là tìm một cấu trúc 3D có các ngăn được lặp đi lặp lại (chẳng hạn như tổ ong), có được độ cứng nhất có thể và khả năng chống va đập.

Mới đây, trong một báo cáo, Berger và nhóm nghiên cứu của ông đã sao lưu lại mô hình máy tính của họ với các tính toán mới cho thấy, lần đầu tiên cấu trúc hình học của Isomax đã đạt đến giới hạn của độ cứng (giới hạn này được xây dựng bởi một định lý được gọi là giới hạn Hashin-Shtrikman).

“Có rất nhiều phản hồi tích cực về nó (năm 2015)“, Berger nói “nhưng với tư cách là một nhà khoa học, đó chỉ là những cái vẫy tay đến khi nào bạn có thể thật sự tạo ra được nó“.

Isomax chưa được đưa vào sản xuất, nhưng thứ làm cho loại vật liệu này cứng như vậy về mặt lý thuyết chính là sự kết hợp của hai hình dạng cơ bản: một tam giác và một hình chữ thập. Sử dụng hai mô-típ này, Isomax lặp đi lặp lại các ngăn tạo thành rất nhiều kim tự tháp nhỏ được gia cố bởi các bức tường bên trong.

Theo các nhà nghiên cứu, các bức tường giao nhau là cấu trúc hoàn hảo để chống những tác động va đập trực tiếp, trong khi các hình dạng kim tự tháp tạo ra sự ổn định và chống lại các lực cắt từ các hướng đối lập.

Do được tạo thành từ các ngăn nên Isomax phần lớn là không gian trống và bọt biển làm cho nó trở nên vô cùng nhẹ, Berger mô tả nó như là “loại bọt biển hiệu quả nhất trong vũ trụ”.

“Nó có tính đối xứng nhất định, được sắp xếp lại với nhau và đạt đến giới hạn về lý thuyết độ cứng, không hề có loại vật liệu nào giống như vậy”, ông giải thích năm 2015.

Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là tìm hiểu thêm về khả năng của siêu vật liệu này trong thực tế.

Phân tích thí nghiệm sẽ cho phép họ kiểm tra độ cứng vật lý của Isomax trong phòng thí nghiệm, và họ cũng đang xem xét quy trình sản xuất ra loại vật liệu này.

Một khi được đưa vào sản xuất, nhóm nghiên cứu dự đoán Isomax sẽ được sử dụng vào mọi thứ trong đời sống từ bao bì đến các bộ phận giả trên cơ thể (như tay giả, chân giả).

“Nó cũng là loại vật liệu tuyệt vời cho cách âm và cách nhiệt” Haydn N.G.Wadley, một trong những nhà nghiên cứu đến từ Đại học Virginia.