Thế nào là vật liệu công năng bậc thang?
Bạn đã từng nghe đến thuật ngữ vật liệu công năng bậc thang chưa? Đây là thuật ngữ mới do các nhà khoa học Nhật Bản đưa ra vào năm 1984. Điều đáng chú ý là “vật liệu công năng bậc thang” vốn đã tồn tại trong tự nhiên. Vỏ sò, răng, tre trúc đều là những vật liệu công năng bậc thang tự nhiên mà chúng ta khá quen thuộc. Đặc điểm chung của loại vật liệu này là tổ chức và cấu trúc bên trong thay đổi đều đặn, liên tục; vì vậy tính chất và công năng của chúng cũng thay đổi liên tục theo từng bậc.
Vật liệu công năng bậc thang thường thuộc nhóm vật liệu phức hợp, nhưng không giống vật liệu phức hợp truyền thống, cũng không giống kim loại đơn hoặc hợp kim đồng đều truyền thống. Một khối đồng nguyên chất hoặc hợp kim đồng - kẽm có thành phần cục bộ và các tính chất vật lý, hóa học gần như giống nhau trong toàn khối. Còn trong vật liệu phức hợp truyền thống như bê tông cốt thép, thủy tinh thép..., thành phần và cấu trúc thường thay đổi đột ngột, nghĩa là giữa các vật liệu khác nhau có ranh giới rõ ràng. Với vật liệu công năng bậc thang, từ phần có thành phần này đến phần có thành phần khác là một sự thay đổi liên tục; thành phần và kết cấu trong vật liệu rất đều đặn, không có ranh giới chuyển đổi đột ngột. Vật liệu công năng bậc thang có thể gồm hai tổ hợp, cũng có thể gồm nhiều tổ hợp.
Mô hình cấu trúc vật liệu có thể lấy ví dụ với vật liệu hai thành phần.
Mục đích ban đầu của các nhà khoa học khi nghiên cứu vật liệu công năng bậc thang là giải quyết vấn đề khó trong thiết kế và chế tạo máy bay vũ trụ: hệ thống bảo vệ nhiệt. Theo các đo đạc, khi máy bay vũ trụ đang bay, nhiệt độ ở một số vị trí trên mặt ngoài có thể lên đến 1800°C. Vì vậy, vật liệu vỏ ngoài phải bền ở nhiệt độ cao và có khả năng chống oxy hóa. Trong khi đó, chỉ cần ở lớp bên trong nhiệt độ giảm xuống 1600°C, sự chênh lệch nhiệt độ lớn đã có thể tạo nên ứng lực nhiệt, mà toàn khối vật liệu vẫn phải có độ bền tốt. Vật liệu thông thường nói chung khó chịu được điều kiện khắc nghiệt như vậy, nhưng vật liệu công năng bậc thang có thể làm việc bình thường trong môi trường đó.
Tính năng của vật liệu công năng bậc thang có thể thay đổi dần theo độ dày hoặc theo phương hướng. Ví dụ, một vật liệu công năng được tạo thành từ gốm và kim loại. Ở một mặt, thành phần giả sử là 100% gốm; theo chiều dày của vật liệu, lượng gốm giảm dần cho đến mặt đối diện còn 0%. Ngược lại, ở phía kia ban đầu là 100% kim loại rồi giảm dần về phía đối diện, đến mặt còn lại thì thành phần kim loại bằng 0%. Phía giàu gốm chịu được nhiệt độ cao, có hệ số dẫn nhiệt thấp nên cách nhiệt tốt. Phía giàu kim loại có hệ số dẫn nhiệt lớn, tản nhiệt nhanh và cường độ cao. Bên trong vật liệu không có ranh giới rõ ràng, nên không xuất hiện vấn đề ứng lực nhiệt do ranh giới thay đổi đột ngột.
Trong nghiên cứu khoa học cũng như đời sống hằng ngày, chúng ta thường gặp nhu cầu sử dụng vật liệu công năng bậc thang. Ví dụ, trong lò nung chảy hạt nhân, mặt trong cần loại gốm chịu phóng xạ và nhiệt độ cao, còn mặt ngoài cần kim loại có cường độ cao và dẫn nhiệt tốt. Khi đó, vật liệu công năng bậc thang gốm - kim loại có thể đáp ứng yêu cầu. Trong y học, người ta cũng cần loại vật liệu này để chế tạo xương nhân tạo và răng nhân tạo. Chân răng là bộ phận có nhiều lỗ xốp nên thường được chế tạo bằng apatit. Ở trung tâm răng cần vật liệu bền chắc, còn lớp ngoài cùng cần vật liệu gốm có độ cứng cao. Khi răng nhân tạo được trồng vào cơ thể, tế bào có thể thâm nhập vào các lỗ xốp ở chân răng, giúp răng gắn chặt vào hàm; trong khi lớp vỏ cứng, chịu mài mòn và chịu va đập còn tốt hơn răng thật.
Khi khoa học kỹ thuật tiếp tục phát triển, vật liệu công năng bậc thang chắc chắn sẽ còn thâm nhập vào nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống.
