Mọi người luôn nghĩ rằng, càng cứng, khả năng kéo dài của vật liệu polyme càng nhỏ. Theo các báo cáo từ nước ngoài, các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Đại học Virginia đã phát triển một thiết kế mới hứa hẹn giải quyết vấn đề trong kỹ thuật polyme này.
Giáo sư trợ lý Liheng Cai, chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, cho biết: “Chúng tôi đang giải quyết một thách thức cơ bản mà kể từ khi phát minh ra cao su lưu hóa vào năm 1839, vẫn được coi là không thể giải quyết.”
Vào thời điểm đó, Charles Goodyear tình cờ phát hiện ra rằng, khi gia nhiệt cao su tự nhiên với lưu huỳnh, các phân tử cao su dạng chuỗi sẽ tạo ra sự liên kết hóa học giữa chúng. Quá trình liên kết này hình thành mạng polyme, biến cao su dẻo (chảy và bị nóng chảy ở nhiệt độ cao) thành vật liệu đàn hồi bền bỉ. Kể từ đó, người ta đã luôn cho rằng, nếu muốn làm cho vật liệu mạng polyme cứng hơn, chắc chắn phải hy sinh một phần khả năng kéo dài.
Thông qua phát minh mới có tên “mạng polyme bàn chải gập lại”, nhóm của giáo sư Cai đã chứng minh điều ngược lại.
“Tách rời” độ cứng và tính đàn hồi
Người đứng đầu nghiên cứu, Baiqiang Huang, cho biết: “Hạn chế này đã cản trở việc phát triển các vật liệu cần có cả tính kéo dài và độ cứng. Các kỹ sư buộc phải chọn một thuộc tính và hy sinh thuộc tính kia. Hãy tưởng tượng, chẳng hạn một thiết bị cấy tim có thể uốn cong theo nhịp đập nhưng vẫn hoạt động nhiều năm. Từ lốp ô tô đến thiết bị gia dụng, các polyme liên kết có mặt ở khắp mọi nơi trong sản phẩm mà con người sử dụng hàng ngày. Chúng cũng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong vật liệu sinh học và thiết bị chăm sóc sức khỏe.”
Một số ứng dụng mà nhóm đề xuất bao gồm chi giả và thiết bị cấy ghép y tế, các thiết bị điện tử đeo được cải tiến và “bắp thịt” của các hệ thống robot mềm cần uốn cong và kéo dài liên tục.
Độ cứng và tính kéo dài (tức là mức độ kéo dài hoặc mở rộng của vật liệu mà không bị đứt) có mối liên hệ với nhau vì chúng xuất phát từ cùng một khối cấu trúc phân tử – các chuỗi polyme được kết nối qua liên kết. Truyền thống, cách để làm cho mạng polyme cứng hơn là tăng cường liên kết. Điều này làm cho vật liệu cứng hơn, nhưng không thể cân bằng giữa độ cứng và khả năng kéo dài; mạng polyme có nhiều liên kết hơn không có cùng độ tự do biến dạng, dễ bị đứt khi kéo dài. Cai cho biết: “Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng, bằng cách thiết kế các polyme bàn chải có thể gập lại, nơi chúng có thể lưu trữ chiều dài bổ sung trong cấu trúc của chính nó, chúng tôi có thể ‘tách rời’ độ cứng và tính kéo dài, nói cách khác, đạt được khả năng kéo dài mà không hy sinh độ cứng. Phương pháp này rất độc đáo vì nó tập trung vào thiết kế chuỗi mạng phân tử, chứ không phải liên kết.”
Cách thức hoạt động của thiết kế gập lại
Cấu trúc này không phải là chuỗi polyme tuyến tính mà là cấu trúc giống như bàn chải, với nhiều chuỗi bên linh hoạt tỏa ra từ khung trung tâm. Điểm quan trọng là khung có thể co lại và mở rộng như một chiếc accordion, và mở ra khi được kéo dài. Khi vật liệu được kéo, chiều dài ẩn bên trong polyme sẽ mở ra, có thể kéo dài gấp 40 lần so với polyme tiêu chuẩn mà không bị yếu đi. Đồng thời, các chuỗi bên quyết định độ cứng, điều này có nghĩa là có thể kiểm soát độc lập độ cứng và khả năng kéo dài. Đây là một chiến lược “được cho là phổ quát” của mạng polyme vì thành phần cấu tạo nên cấu trúc bàn chải gập lại không giới hạn ở các loại hóa chất cụ thể. Chẳng hạn, một thiết kế sử dụng một loại polyme làm chuỗi bên, vẫn giữ được tính linh hoạt ngay cả ở nhiệt độ thấp. Nhưng sử dụng một loại polyme tổng hợp khác (loại polyme thường thấy trong kỹ thuật vật liệu sinh học) làm chuỗi bên, có thể sản xuất ra gel mô phỏng mô sống.
Như nhiều vật liệu mới mà phòng thí nghiệm Cai phát triển, thiết kế polyme bàn chải có thể gập lại này cũng có thể được in 3D. Ngay cả khi được trộn với các hạt nano vô cơ, những hạt này cũng có thể được thiết kế với các đặc tính điện, từ tính hoặc quang học phức tạp. Ví dụ, các nhà nghiên cứu có thể thêm các hạt nano dẫn điện như hạt nano bạc hoặc vàng, điều này rất quan trọng cho các sản phẩm điện tử có thể kéo dài và đeo được. Cai nói: “Các thành phần này mang lại vô vàn lựa chọn cho thiết kế các vật liệu cân bằng giữa độ bền và tính kéo dài, đồng thời có thể tận dụng các tính chất của các hạt nano vô cơ theo các yêu cầu cụ thể.”
