Thế nào là vật liệu công năng bậc thang?

Bạn có nghe nói đến thuật ngữ vật liệu công năng bậc thang chưa? Đây là một thuật ngữ mới được các nhà khoa học Nhật Bản đưa ra năm 1984. Nhưng có điều đáng chú ý là "vật liệu công năng bậc thang" vốn tồn tại trong tự nhiên. Chắc chúng ta ai cũng quen thuộc với vỏ sò, răng, tre trúc đều là những vật liệu công năng bậc thang vốn có trong tự nhiên. Đặc điểm chung của loại vật liệu này là có các tổ chức và cấu trúc nội tại thay đổi đều đặn, liên tục và vì vậy tính chất và công năng của chúng cũng thay đổi theo các bậc thang liên tục.

Vật liệu công năng bậc thang thường thuộc loại vật liệu phức hợp nhưng lại không thuộc vật liệu phức hợp truyền thống, cũng không giống với vật liệu kim loại đơn hoặc hợp kim đồng đều truyền thống. Một khối đồng thuần khiết hoặc một hợp kim đồng - kẽm, ở mỗi loại có thành phần cục bộ và liên quan đến nó là các tính chất vật lý, hoá học đều giống nhau trong từng loại. Còn trong vật liệu phức hợp truyền thống như bê tông cốt thép, thuỷ tinh thép… chúng có các thành phần và cấu trúc có sự thay đổi đột biến, có nghĩa là giữa các vật liệu khác nhau có một ranh giới rõ rệt. Còn trong vật liệu công năng bậc thang, từ bộ phận có thành phần này đến bộ phận có thành phần khác có sự thay đổi liên tục, cho nên các thành phần, kết cấu trong vật liệu rất đều đặn, không có một ranh giới thay đổi đột ngột. Vật liệu công năng bậc thang có thể tồn tại hai tổ hợp, song cũng có thể có nhiều tổ hợp.

Mô hình cấu trúc vật liệu (lấy vật liệu hai thành phần làm ví dụ).

Mục đích đầu tiên của các nhà khoa học cho vật liệu công năng bậc thang là giải quyết vấn đề khó xuất hiện khi thiết kế, chế tạo máy bay vũ trụ: Là hệ thống bảo vệ nhiệt. Theo các đo đạc khi máy bay vũ trụ đang bay thì nhiệt mặt ngoài của máy bay có chỗ có thể lên đến 1800°C, vì vậy vật liệu của lớp vỏ ngoài phải bền ở nhiệt độ cao và có khả năng chống oxy hoá, trong khi đó chỉ cần ở lớp bên trong nhiệt độ xuống đến 1600°C thì do sự thay đổi nhiệt độ lớn có thể tạo nên hiện tượng nhiệt ứng lực, trong khi đó vật liệu toàn khối phải có độ bền tốt. Vật liệu bình thường nói chung khó chịu đựng điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt như vậy, còn vật liệu công năng bậc thang có thể làm việc bình thường trong điều kiện khó khăn đó.

Vật liệu công năng bậc thang tuỳ theo độ dày, phương hướng có thể thay đổi thích hợp và nhờ đó tính năng của vật liệu cũng thay đổi dần dần. Ví dụ vật liệu công năng được tạo thành từ gốm và kim loại, ở một mặt giả sử có thành phần 100% gốm, theo độ dày của vật liệu, thành phần gốm giảm dần đến phía mặt đối diện sẽ có thành phần 0%; trong khi đó ở phía kia, ban đầu thành phần kim loại 100% và giảm dần khi đi về phía kia, ở mặt đối diện thành phần kim loại sẽ là 0%. Ở phía thành phần gốm lớn sẽ chịu được nhiệt độ cao, nhưng hệ số dẫn nhiệt thấp nên có tác dụng cách nhiệt. Trong khi đó ở phía bên kia, phía giàu kim loại, hệ số dẫn nhiệt lớn, tản nhiệt nhanh lại có cường độ cao, còn bên trong vật liệu không hề có một ranh giới rõ ràng. Do không có mặt ranh giới thay đổi đột ngột nên không tồn tại vấn đề nhiệt ứng lực.

Trong nghiên cứu khoa học cũng như trong cuộc sống hằng ngày chúng ta thường gặp vật liệu công năng bậc thang. Ví dụ trong các lò nung chảy hạt nhân, ở mặt trong người ta cần loại gốm chịu được phóng xạ, chịu được nhiệt độ cao, trong khi ở mặt ngoài lại cần kim loại có cường độ cao, dẫn nhiệt tốt. Như vậy cần chọn vật liệu công năng bậc thang gốm - kim loại là đáp ứng được yêu cầu. Trong y học người ta cũng cần các loại vật liệu công năng bậc thang như vật liệu để chế tạo xương nhân tạo, răng nhân tạo. Chân răng là bộ phận có nhiều lỗ xốp nên thường được chế tạo bằng apatit. Ở trung tâm răng người ta cần vật liệu bền chắc, ở lớp ngoài cùng cần vật liệu gốm có độ cứng cao. Khi trồng răng nhân tạo vào cơ thể, tế bào cơ thể có thể thâm nhập vào lỗ xốp ở chân răng, khiến răng được gắn chặt vào hàm, còn lớp vỏ cứng, chịu được mài mòn có khả năng chịu va đập còn tốt hơn răng thật.

Vì khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, nên vật liệu công năng bậc thang chắc chắn sẽ không ngừng xâm nhập vào nhiều lĩnh vực sản xuất, đời sống.