Hợp kim CrCoNi - Vật liệu cứng nhất trên Trái đất

Các nhà khoa học nghiên cứu một loại hợp kim làm từ chrom, cobalt và nikel (CrCoNi) và đo được độ cứng cao nhất trong số mọi vật liệu.

Hợp kim CrCoNi không chỉ dễ uốn, độ cứng của nó còn tăng lên khi nhiệt độ lạnh hơn, trái ngược với phần lớn kim loại khác. Nhóm nghiên cứu đứng đầu là các chuyên gia ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge công bố phát hiện đột phá trên tạp chí Science hôm 2/12. "Khi bạn thiết kế vật liệu xây dựng, chúng cần phải cứng, dễ uốn và khó gãy", Easo George, đồng trưởng nhóm dự án, cho biết. "Thông thường, những đặc tính trên bù trừ lẫn nhau. Nhưng vật liệu này có tất cả. Thay vì trở nên giòn ở nhiệt độ thấp, nó trở nên bền hơn".

Hợp kim CrCoNi - Vật liệu cứng nhất trên Trái đất
Cấu trúc tinh thể của CrCoNi nhìn dưới kính hiển vi. (Ảnh: Phòng thí nghiệm Berkeley)

CrCoNi là nhóm nhỏ trong nhóm kim loại gọi là hợp kim entropy cao (HEA). Tất cả hợp kim sử dụng ngày nay đều chứa lượng lớn một nguyên tố và các nguyên tố thêm vào có tỷ lệ thấp hơn, nhưng HEA có khối lượng các nguyên tố cấu thành như nhau. Sự cân bằng này giúp đem lại độ bền và tính dễ uốn cao khi chịu áp lực.

Độ cứng của vật liệu mới ở gần nhiệt độ heli lỏng (-253 độ C) lên tới 500 MPa-Sqrt (đơn vị đo độ cứng). Để so sánh, độ cứng của silicon là 1, của khung nhôm trên máy bay chở khách là 35 và của một số loại thép tốt nhất là khoảng 100. Vì vậy, 500 là một con số đáng kinh ngạc, theo đồng trưởng nhóm nghiên cứu Robert Ritchie, nhà khoa học làm việc ở Ban khoa học vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley.

Nhóm nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm CrCoNi và một hợp kim khác chứa thêm mangan và sắt (CrMnFeCoNi) gần một thập kỷ trước. Họ tạo ra các mẫu hợp kim, sau đó hạ thấp nhiệt độ của chúng xuống gần bằng nhiệt độ nitrogen lỏng (khoảng 77 Kelvin hay -200 độ C) và phát hiện ra độ cứng ấn tượng của chúng. Họ mất thêm 10 năm tiếp theo để thử nghiệm ở nhiều nhiệt độ khác nhau vì quá trình thiết lập phòng thí nghiệm cũng như tuyển dụng được các nhà nghiên cứu có thể hiểu được những gì đang xảy ra ở cấp độ phân tử là không hề dễ dàng.

Ritchie và George bắt đầu thử nghiệm với CrCoNi và hợp kim khác cũng chứa mangan và sắt (CrMnFeCoNi) cách đây gần một thập kỷ. Họ tạo ra các mẫu vật của hợp kim, sau đó hạ thấp nhiệt độ của vật liệu xuống gần bằng nhiệt độ nitơ lỏng (-200 độ C) và phát hiện độ cứng và độ bền ấn tượng của chúng. Họ mất thêm 10 năm để tiếp tục thử nghiệm ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau của heli lỏng bởi khó khăn trong quá trình tìm kiếm phòng thí nghiệm có thể thực hiện kiểm tra áp lực mẫu vật trong môi trường lành cũng như tuyển dụng đội ngũ có đủ công cụ và kinh nghiệm để phân tích những gì xảy ra trong vật liệu ở cấp phân tử.

Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, tán xạ ngược electron và truyền electron qua kính hiển vi, Ritchie, George, và đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Đại học Bristol, Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton và Đại học New South Wales đã kiểm tra cấu trúc mạng tinh thể của các mẫu CrCoNi đã bị gãy ở nhiệt độ phòng và -253 độ C. Các hình ảnh và bản đồ nguyên tử từ những kỹ thuật này hé lộ độ cứng của hợp kim là do bộ ba chướng ngại vật lệch vị trí tác động theo một trình tự cụ thể khi tác dụng lực lên vật liệu. Hợp kim CrMnFeCoNi cũng được thử nghiệm ở -253 độ C và thể hiện ấn tượng, nhưng không đạt độ cứng như hợp kim CrCoNi.

Giờ đây, khi các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn cơ chế hoạt động bên trong của CrCoNi, hợp kim này và các HEA khác đang tiến gần hơn đến việc sử dụng trong các trường hợp đặc biệt. Dù việc tạo ra những vật liệu này rất tốn kém, chúng có thể ứng dụng trong những hoàn cảnh mà môi trường khắc nghiệt có thể phá hủy những hợp kim kim loại thông thường, ví dụ trong điều kiện nhiệt độ lạnh giá của không gian sâu.