Da con người không chỉ nhạy cảm, biết gửi cho não thông tin chính xác về áp suất và nhiệt độ, mà còn biết tự chữa lành một cách hiệu quả để duy trì hàng rào bảo vệ cơ thể trước thế giới bên ngoài. Từ xưa đến nay, việc kết hợp những tính chất như vậy trong một vật liệu tổng hợp là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Standford (California, Mỹ) đã thành công trong việc chế tạo vật liệu đầu tiên có thể cảm nhận cả những áp lực rất nhỏ và tự chữa lành khi bị cắt hoặc bị rách.
Trong thập niên qua, con người đã có những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực chế tạo da tổng hợp. Nhưng cho đến nay, ngay cả những vật liệu có khả năng tự chữa lành vết thương một cách hiệu quả nhất cũng vẫn có những nhược điểm lớn. Một số vật liệu trong số này chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao nên không thuận tiện để áp dụng trong cuộc sống hàng ngày, một số khác có thể tự chữa lành ở nhiệt độ phòng, nhưng việc sửa chữa vết cắt sẽ làm thay đổi cấu trúc cơ học và hóa học của chúng, khiến cho chúng chỉ có thể tự chữa lành như vậy một lần duy nhất. Điều quan trọng nhất là, cho đến nay không có vật liệu tự chữa lành nào có khả năng dẫn điện tốt – đây là một tính chất rất quan trọng khi chúng ta cần tương tác với chúng qua hệ thống kỹ thuật số.
Các nhà nghiên cứu tại Stanford đã khắc phục được nhược điểm đó của da nhân tạo trước đây và thành công trong việc kết hợp hai thành phần là khả năng tự chữa lành của polyme cũng như tính dẫn điện của kim loại.
Họ đã bắt đầu bằng chất dẻo có những chuỗi dài các phân tử liên kết với nhau thông qua các liên kết hydro với lực hút tương đối yếu giữa vùng tích điện dương của một nguyên tử và vùng tích điện âm của nguyên tử tiếp theo. Chính các liên kết này cho phép vật liệu tự chữa lành vết thương: các phân tử lớn có thể dễ dàng bị đứt gãy, nhưng khi chúng liên kết lại sau khi bị hư hại, các liên kết sẽ tự tổ chức lại và khôi phục cấu trúc ban đầu của vật liệu.
Mặt khác, các nhà nghiên cứu đã bổ sung các hạt niken cỡ nano vào polyme này để tăng độ bền cơ học của nó. Nhưng đồng thời bề mặt thô ráp của các hạt niken cỡ nano đã làm cho vật liệu trở nên dẫn điện.
Kết quả thu được là một polyme có những tính chất khác thường: phần lớn các chất dẻo đều là những chất cách điện tốt, nhưng polyme mới này lại là một chất dẫn điện xuất sắc.
Các nhà khoa học đã trình diễn cho thấy vật liệu mới này có thể khôi phục cả độ bền cơ học và khả năng dẫn điện của nó sau khi bị hư hại như thế nào: Họ lấy một dải mỏng vật liệu đó và cắt đôi nó bằng một con dao sắc. Sau đó, hai mẩu đã cắt rời được ấn nhẹ vào nhau trong vài giây. Kết quả quan sát cho thấy, vật liệu này đã phục hồi 75% độ bền và khả năng dẫn điện ban đầu của nó. Sau 30 phút, vật liệu đã tự khôi phục lại gần như 100%. Trong khi đó, ngay cả da người cũng phải mất nhiều ngày mới có thể hồi phục.
Điều quan trọng hơn nữa là bản thân mẫu đã thử nghiệm cũng có thể được cắt đi lặp lại tại cũng vị trí đã cắt. Sau khi cắt và tự sửa chữa 50 lần, mẫu vẫn chịu được tác động uốn và kéo căng tương tự như ban đầu.
Bản chất composit của vật liệu tạo ra một thách thức kỹ thuật đối với các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu. Họ đã phát hiện ra rằng tuy niken là yếu tố mấu chốt để làm cho vật liệu trở nên bền và dẫn điện, nhưng nó cũng ngăn cản quá trình chữa lành, ngăn ngừa các liên kết hydro liên kết lại với nhau.
Đối với thế hệ tương lai của vật liệu này, các nhà khoa học cho rằng họ có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng của các hạt nano, hoặc thậm chí các tính chất hóa học của polyme, để khắc phục nhược điểm của niken.
Nhóm nghiên cứu cũng đã khảo sát ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực cảm biến. Đối với những điện tử tạo ra dòng điện, việc tìm cách đi qua vật liệu này cũng tương tự như tìm cách đi qua một con suối bằng cách nhảy từ hòn đá này sang hòn đá khác. Ở đây, các hòn đá chính là các hạt niken, khoảng cách ngăn cách chúng sẽ xác định điện tử cần bao nhiêu năng lượng để tự giải phóng khỏi một hòn đá và nhảy đến hòn đá tiếp theo. Tác động xoắn hoặc ép lên vật liệu da nhân tạo này sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa các hạt niken, do đó thay đổi khả năng chuyển động của các điện tử. Những thay đổi nhỏ trong điện trở có thể được chuyển thành thông tin về áp lực và lực căng tác động lên da.
Theo các nhà khoa học, vật liệu này đủ nhạy để có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác. Các dụng cụ điện và dây điện được bọc vật liệu này có thể tự chữa lành các hư hại và lại cho dòng điện tiếp tục đi qua mà không cần sửa chữa, bảo dưỡng một cách tốn kém và khó khăn, đặc biệt là ở những nơi khó tiếp cận, như dây điện đặt bên trong tường nhà hoặc bên trong các bộ phận của xe ôtô.
Các nhà khoa học Stanford cho biết, mục tiêu tiếp theo của họ là làm cho vật liệu mới này trở nên co giãn tốt và trong suốt, khiến cho chúng thích hợp để bọc phủ lên trên các dụng cụ điện tử hoặc màn hình.
Theo Báo Công nghiệp Hóa chất
Leave a Reply