Vật liệu cao su in 3D mới: Bền gấp 15 lần, xóa bỏ nỗi lo nứt gãy

Đối với những người đam mê in 3D, việc đồ in bị giòn và dễ gãy là một trải nghiệm vô cùng khó chịu. Nhưng đối với các lĩnh vực công nghệ cao như thiết bị điện tử đeo tay, robot mềm và công nghệ y sinh, đây lại là một rào cản kỹ thuật nghiêm trọng.

Các vật liệu đàn hồi mạng đơn thông thường, loại polyme dẻo có thể kéo giãn nhờ các liên kết phân tử yếu; luôn phải đối mặt với một sự đánh đổi khắc nghiệt. Nếu chúng được thiết kế để không bị nứt gãy khi kéo giãn mạnh, chúng lại dễ bị mỏi (suy giảm chất lượng và hỏng hóc) dưới áp lực liên tục. Ngược lại, nếu chúng chống mỏi tốt thì lại rất dễ bị đứt đột ngột khi gặp va đập mạnh.

Để giải quyết bài toán hóc búa này, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne (EPFL) đã phát triển một giải pháp đột phá: chất đàn hồi hạt mạng kép (DNGE).

Vật liệu mới này hoạt động bằng cách nhúng các hạt đàn hồi cứng, siêu nhỏ vào bên trong một mạng lưới đàn hồi mềm mại hơn. Giáo sư Esther Amstad, trưởng Phòng thí nghiệm Vật liệu Mềm tại EPFL, chia sẻ rằng nhóm nghiên cứu ban đầu chỉ tập trung vào việc cải thiện khả năng xử lý vật liệu khi in. Tuy nhiên, sau khi tạo ra cấu trúc dạng hạt này, họ vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện ra độ dẻo dai vượt trội của nó. Sự dẻo dai này đến từ cơ chế hấp thụ và giải tỏa năng lượng lặp đi lặp lại mà không làm đứt gãy cấu trúc bên trong một cách vĩnh viễn.

Nhờ cấu trúc mạng kép độc đáo, khi vật liệu bị kéo căng, ứng suất cơ học sẽ được phân bổ và chuyển dịch từ các hạt cứng sang phần vật liệu mềm kết nối giữa chúng. Thay vì để các liên kết polyme bị đứt gãy, các chuỗi polyme sẽ tự sắp xếp lại để dàn đều lực. Cơ chế này giúp DNGE đạt độ bền chống đứt gãy cao gấp 15 lần và khả năng chống mỏi cao gấp 3 lần so với các vật liệu đàn hồi tương tự.

Không chỉ vậy, cấu trúc dạng hạt này còn có một khả năng phòng thủ tự nhiên rất thú vị. Nếu một vết nứt xuất hiện, thay vì lan truyền theo một đường thẳng trực diện khiến vật liệu đứt đôi ra ngay lập tức, vết nứt đó sẽ bị ép phải đi đường vòng ngoằn ngoèo qua các vùng vật liệu mềm xung quanh các hạt cứng. Hãy tưởng tượng sự khác biệt giữa một nhát rìu bổ thẳng xuống thân cây với đường đi uốn lượn, rối rắm của một con mối bên trong gỗ; rõ ràng, đường nứt ngoằn ngoèo sẽ giúp cấu trúc tổng thể giữ được sự liên kết tốt hơn rất nhiều.

Các nhà khoa học kỳ vọng vật liệu DNGE sẽ mở ra những cơ hội phát triển to lớn cho ngành robot mềm, thiết bị đeo thông minh và y sinh. Bằng cách kéo dài tuổi thọ của các bộ phận in 3D, công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí vận hành mà còn mang lại sự tiện lợi vượt trội cho người sử dụng.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tại EPFL mong muốn nâng cao tính bền vững của vật liệu này bằng cách phát triển chúng từ nguồn nguyên liệu tái chế và có khả năng phân hủy sinh học. Mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu dấu vết carbon của vật liệu mà không làm suy giảm các đặc tính cơ học tuyệt vời của nó, giúp các phòng thí nghiệm sở hữu máy in 3D thương mại đều có thể dễ dàng tiếp cận công nghệ này.