Chế tạo thành công vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ

Các nhà khoa học đã chế tạo thành công một loại chất cách nhiệt mới, gần như không trọng lượng và có độ bền nhiệt cao hơn hầu hết vật liệu khác.

Vật liệu mới có cấu trúc aerogel (ít nhất 99 phần trăm không gian trống), tạo thành từ một loại gốm nguyên tử siêu mỏng (hexagonal boron nitride). Thiết kế này chứng minh độ bền nhiệt cực kỳ cao và sự biến đổi nhiệt độ rất nhanh trong phạm vi hơn 1.000 độ C, các nhà khoa học báo cáo trong tập san Science ngày 15 tháng 2.

Vật liệu cách nhiệt Dainty với các khoang rỗng trong cấu trúc aerogel chiếm tới 99% tổng khối lượng, có thể chịu được mức nhiệt cao khiến cho hầu hết các vật liệu khác bị phá hủy. (Ảnh: X. Xu, X. Duan).

“Rất khó để tạo ra các vật liệu vừa nhẹ vừa có khả năng chịu nhiệt cao”, Deep Jariwala, kỹ sư tại Đại học Pennsylvania, đồng tác giả một bài nhận xét về nghiên cứu tương đương trên tập san Science cho biết. Chất cách nhiệt siêu nhẹ mới có nhiều tiềm năng để làm lớp phủ trên các bộ phận tàu vũ trụ, do chúng phải chịu đựng sự biến thiên nhiệt rất cao khi bay qua mặt trời hoặc quay trở lại bầu khí quyển Trái đất, ông nói.

Cấu trúc aerogel gồm một mạng lưới các bong bóng khí nhỏ, mỗi bong bóng được ngăn cách với nhau bằng hai lớp nguyên tử Bo (nguyên tố á kim hóa trị 3) nitrat hóa, hình lục giác. Giống như cách mà cửa sổ hai lớp ngăn nhiệt thoát ra khỏi nhà vào mùa đông, hàng rào gốm hai ngăn này khiến nhiệt khó truyền từ bong bóng khí này sang bong bóng khí khác. “Rất khó để nhiệt độ truyền qua vật liệu bằng cách lan dọc theo các lớp nguyên tử Bo, do lộ trình dài và quanh co”, theo Xiangfeng Duan, nhà hóa học và nhà khoa học vật liệu tại Đại học California, Los Angeles.

Các nhà nghiên cứu để một bông hoa tươi lên một miếng vật liệu mới dày 2 cm và đặt dưới một ngọn lửa (ảnh bên phải là bản đồ nhiệt). Sau 15 phút, bề mặt trên cùng đo được 45 độ C và bông hoa chỉ hơi héo đi.

Thí nghiệm cho thấy tính cách nhiệt rất cao của vật liệu mới. (Ảnh: X. Xu Et Al/Science 2019).

Trong khi các loại gốm aerogel khác có thể vỡ dưới sự biến thiên nhiệt nhanh hay dưới tác động nhiệt trong thời gian dài, vật liệu aerogel mới chịu được đến 500 chu kỳ gia nhiệt và làm lạnh nhanh từ 198 độ đến 900 độ C (tăng hoặc giảm 275 độ mỗi giây), cũng như bền vững (giữ được 95% tính dẻo) ở nhiệt độ 1400 độ C suốt một tuần.

Theo Julia Greer, nhà khoa học vật liệu tại Viện California, vật liệu mới còn mềm và dễ uốn, nên để ứng dụng trong thực tế có lẽ cần được bọc trong một vật liệu khác bền chắc hơn.