CSVN – Các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS) của Harvard đã phát triển một phương pháp tiếp cận đa cấp mới làm tăng độ mỏi của cao su được gia cố bằng hạt, cho phép vật liệu chịu tải trọng cao và chống lại sự phát triển vết nứt khi sử dụng nhiều lần. Cách tiếp cận này không chỉ có thể làm tăng tuổi thọ của các sản phẩm cao su như lốp xe mà còn giảm lượng ô nhiễm do các hạt cao su bong ra trong quá trình sử dụng. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.

Mủ cao su tự nhiên có đặc tính mềm và đàn hồi. Đối với một loạt các sản phẩm, bao gồm lốp xe, ống mềm và bộ giảm chấn, cao su được gia cố bằng các hạt cứng như muội than và silic. Những hạt này cải thiện đáng kể độ cứng của cao su nhưng không cải thiện khả năng chống lại sự phát triển vết nứt khi vật liệu bị kéo căng theo chu kỳ, một phép đo được gọi là độ mỏi (fatigue threshold) được sử dụng để đánh giá đặc tính này. Trên thực tế, độ mỏi của cao su được gia cố bằng hạt không được cải thiện nhiều kể từ khi nó được đo lần đầu tiên vào những năm 1950. Điều này có nghĩa là ngay cả với những cải tiến về lốp xe nhằm tăng khả năng chống mài mòn và giảm tiêu hao nhiên liệu, những vết nứt nhỏ cũng có thể thải ra một lượng lớn hạt cao su ra môi trường, gây ô nhiễm không khí cho con người và tích tụ trong sông suối.

Nhóm nghiên cứu do Zhigang Suo, Giáo sư Cơ học và Vật liệu tại SEAS dẫn đầu, đã làm tăng đáng kể độ mỏi của cao su bằng cách kéo dài chuỗi polymer và tăng mật độ vướng víu. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thêm các hạt silica vào loại cao su này và dự đoán rằng các hạt silica sẽ làm tăng độ cứng nhưng không ảnh hưởng đến độ mỏi, như đã được báo cáo phổ biến trong các tài liệu trước đó. Tuy nhiên, điều bất ngờ đã xảy ra, việc bổ sung thêm các hạt đã làm tăng độ mỏi lên gấp 10 lần.

Trong vật liệu ban đầu, các chuỗi polyme dài và có tính liên kết cao, trong khi các hạt được thêm vào tập hợp lại và liên kết cộng hóa trị với các chuỗi polyme.

Vật liệu này làm giảm ứng suất xung quanh vết nứt theo hai thang đo chiều dài: thang đo chuỗi polymer và thang đo của các hạt. Sự kết hợp này ngăn chặn sự phát triển của vết nứt trên vật liệu. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh phương pháp của mình bằng cách cắt một vết nứt trên một mảnh vật liệu mới và sau đó kéo giãn nó hàng chục nghìn lần nhưng vết nứt không phát triển thêm. Phương pháp này được các tác giả gọi là “Phương pháp khử tập trung ứng suất đa cấp”.

Nó mở rộng không gian của các đặc tính vật liệu, mở ra cánh cửa để giảm thiểu ô nhiễm polymer và chế tạo các máy mềm hiệu suất cao (high-performance soft machines). Các phương pháp tiếp cận truyền thống để thiết kế vật liệu đàn hồi mới đã bỏ sót những hiểu biết quan trọng này về việc sử dụng phương pháp khử tập trung ứng suất đa cấp để đạt được vật liệu đàn hồi hiệu suất cao cho các ứng dụng công nghiệp rộng rãi. Các nguyên tắc thiết kế được phát triển và thể hiện trong nghiên cứu này có thể áp dụng được trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm các sản phẩm có khối lượng lớn như lốp xe và hàng cao su công nghiệp, cũng như các sản phẩm mới nổi như thiết bị đeo được. Văn phòng Phát triển Công nghệ của Harvard đã bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ liên quan đến dự án này và đang tìm kiếm các cơ hội thương mại hóa.

NGUYỄN ANH NGHĨA (Theo phys.org)