Bạn có bao giờ tự hỏi các kỹ sư có thể dự đoán khi nào một vật liệu sẽ bị nứt dưới tác động của áp lực không? Đây là một câu hỏi quan trọng cho nhiều ứng dụng, như lốp xe, chai nhựa, cấy ghép silicone và nhiều thứ khác.
Nếu bạn có thể phát hiện các dấu hiệu của sự hỏng hóc trước khi nó xảy ra, bạn có thể ngăn chặn tai nạn, tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu suất.
Xem thêm: Thermocell: Sạc thiết bị đeo từ nhiệt lượng Cơ thể.
Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu cách các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chụp ảnh các thay đổi cấu trúc trong một vật liệu dưới tác động của áp lực và cách họ sử dụng thông tin này để cảnh báo về một vụ vỡ sắp xảy ra. Bạn cũng sẽ khám phá cách phương pháp này hoạt động cho các loại vật liệu khác nhau, từ các vật liệu mềm như cao su cho đến các vật liệu giòn như mì ống.
Vấn đề gì xảy ra với các vật liệu mềm?
Các vật liệu mềm là các vật liệu có thể biến dạng dễ dàng khi chịu tác động của các lực bên ngoài. Chúng được tạo thành từ các chuỗi phân tử dài gọi là polyme được kết nối lỏng lẻo bởi các liên kết hóa học. Ví dụ về các vật liệu mềm bao gồm cao su, nhựa, silicone, thạch và nhiều thứ khác.
Một trong những thách thức với các vật liệu mềm là chúng có xu hướng bị nứt đột ngột, không có dấu hiệu cảnh báo. Điều này là do các liên kết hóa học giữ các chuỗi polyme lại với nhau có thể bị đứt vĩnh viễn khi vật liệu bị kéo căng quá mức. Điều này tạo ra một điểm yếu trong vật liệu có thể lan rộng nhanh chóng và gây ra sự hỏng hóc hoàn toàn.
Hiện tượng này được gọi là gãy giòn và nó có thể có hậu quả nghiêm trọng đối với an toàn và độ tin cậy. Ví dụ, hãy tưởng tượng nếu lốp xe của bạn bất ngờ nổ trong khi lái xe hoặc nếu chai nước của bạn rò rỉ khắp ba lô của bạn.
Để tránh những vấn đề này, các kỹ sư cần biết một vật liệu có thể chịu được bao nhiêu áp lực trước khi nứt và cách phát hiện các dấu hiệu của sự hư hại trước khi quá muộn.
Làm thế nào để chụp ảnh các thay đổi cấu trúc trong một vật liệu dưới tác động của áp lực?
Một cách để nghiên cứu cách một vật liệu hoạt động dưới tác động của áp lực là thực hiện một thí nghiệm gọi là thử nghiệm kéo. Trong thí nghiệm này, bạn cắt một khe nhỏ vào một tấm vật liệu mỏng và áp dụng một lực kéo dần dần làm cho khe rộng ra. Cuối cùng, một vết nứt sẽ phát triển và lan rộng nhanh chóng từ khe.
Để hiểu những gì xảy ra ở cấp độ phân tử trong quá trình này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai kỹ thuật:
- Nhúng các phân tử phát quang, nhạy lực vào vật liệu. Các phân tử này, gọi là mechanophore, phát quang khi một liên kết hóa học bị hư hại không thể khôi phục bởi áp lực. Bằng cách đo cường độ và vị trí của ánh sáng, bạn có thể thấy cách sự hư hại tích lũy gần khe.
- Sử dụng ánh sáng laser để quét bề mặt của vật liệu. Kỹ thuật này, gọi là phân tích speckle động, phát hiện các sắp xếp lại vi mô của các phân tử polyme xảy ra trên thời gian miligiây. Bằng cách phân tích các mẫu của ánh sáng tán xạ, bạn có thể thấy cách các phân tử di chuyển trong phần vật liệu không bị hư hại.
Tuy nhiên, các kỹ thuật này có một số hạn chế. Kỹ thuật đầu tiên chỉ hoạt động cho các vật liệu trong suốt và chỉ cho thấy sự hư hại gần khe (trong vòng 0,1 mm). Kỹ thuật thứ hai yêu cầu một vật liệu khá mờ và chỉ cho thấy các chuyển động phân tử xa khe (đến 1 cm).
Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp hai kỹ thuật này trong một thí nghiệm duy nhất . Họ nhúng các phân tử mechanophore vào một mẫu polydimethylsiloxane (PDMS), một vật liệu dựa trên silicone, có độ dày 2 mm và sử dụng ánh sáng laser để chiếu sáng và quét mẫu. Họ sau đó thực hiện một thử nghiệm kéo và ghi lại cả ánh sáng phát ra và các mẫu speckle.
Làm thế nào để sử dụng thông tin này để dự đoán sự vỡ?
Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã có thể thấy cả sự hư hại phổ biến và chuyển động toàn cục của vật liệu dưới tác động của áp lực. Họ phát hiện ra rằng:
- Số lượng liên kết bị đứt gần khe tăng dần khi mẫu bị kéo căng, nhưng tăng nhanh chóng ngay trước khi vỡ.
- Các chuyển động phân tử trong phần vật liệu không bị hư hại cũng tăng lên, nhưng đạt đỉnh vài phút trước khi vỡ.
Bằng cách theo dõi các tiền đề này, các kỹ sư có thể tiên đoán khi nào một vật liệu sẽ nứt và có biện pháp phòng ngừa.
Ví dụ, họ có thể sử dụng các cảm biến để đo ánh sáng phát ra và các mẫu speckle của một vật liệu đang sử dụng và cảnh báo khi chúng đạt mức nguy hiểm. Hoặc, họ có thể sử dụng thông tin này để thiết kế các vật liệu có khả năng chống nứt hoặc tự chữa lành khi bị hư hại.
Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm phương pháp của họ trên các vật liệu mềm khác, như cao su, nhựa và thạch, và tìm thấy kết quả tương tự. Họ cũng áp dụng phương pháp của họ cho một số vật liệu giòn hơn, như mì ống, và phát hiện ra rằng họ cũng có thể phát hiện các tiền đề cho sự vỡ.
Tuy nhiên, họ lưu ý rằng phương pháp của họ không áp dụng được cho tất cả các vật liệu, đặc biệt là những vật liệu rất trong suốt hoặc rất mờ. Họ cũng chỉ ra rằng phương pháp của họ bị giới hạn bởi độ phân giải và độ nhạy của các thiết bị chụp ảnh và bởi sự có sẵn và ổn định của các phân tử mechanophore.
Do đó, họ đề nghị rằng nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc cải thiện những khía cạnh này và khám phá các loại tiền đề cho sự vỡ khác, như các tín hiệu âm thanh hoặc nhiệt.
Tại sao nghiên cứu này quan trọng?
Nghiên cứu này quan trọng vì nó cung cấp một cách mới để chụp ảnh các thay đổi cấu trúc trong một vật liệu dưới tác động của áp lực và để dự đoán khi nào một vật liệu sẽ vỡ. Điều này có thể có ý nghĩa lớn đối với kỹ thuật, sản xuất và an toàn.
Bằng cách có thể phát hiện các dấu hiệu của sự vỡ trước khi nó xảy ra, các kỹ sư có thể ngăn chặn tai nạn, tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu suất. Họ cũng có thể sử dụng kiến thức này để thiết kế các vật liệu tốt hơn, bền hơn, linh hoạt hơn và thích ứng hơn.
Nghiên cứu này cũng quan trọng vì nó nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về cách các vật liệu mềm hoạt động dưới tác động của áp lực và cách chúng bị vỡ. Điều này có thể giúp chúng ta tìm hiểu thêm về vật lý và hóa học của các polyme và các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.