Nghiên cứu của các nhà khoa học tập trung vào hiện tượng “rối móc nối” (entanglement), trong đó các hạt vật liệu liên kết với nhau thông qua hình dạng đặc biệt thay vì sử dụng chất kết dính hay các liên kết hóa học truyền thống.

Hiện tượng này vốn xuất hiện phổ biến trong tự nhiên, chẳng hạn như các cành cây đan xen trong tổ chim hoặc sự kết hợp giữa các thành phần cấu tạo nên hệ xương của động vật.

Theo nhóm nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder (Hoa Kỳ), hình dạng của các hạt đóng vai trò quyết định đối với khả năng liên kết và các đặc tính cơ học của vật liệu. Trong các vật liệu dạng hạt thông thường như cát, các hạt có bề mặt tương đối trơn và hình dạng lồi nên khó tạo ra liên kết bền vững với nhau. Tuy nhiên, khi thay đổi hình dạng của từng hạt, hành vi của cả hệ vật liệu có thể thay đổi đáng kể.

Để tìm ra cấu trúc tối ưu, các nhà khoa học đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo nhằm đánh giá khả năng tương tác của nhiều dạng hạt khác nhau. Kết quả cho thấy, các hạt có hình dạng tương tự ghim kẹp giấy (staple) tạo ra mức độ móc nối cao nhất. Thiết kế này gồm một thân chính và hai nhánh ở hai đầu, cho phép các hạt dễ dàng vướng vào nhau khi tập hợp thành cụm.

Sau khi xác định được hình dạng phù hợp thông qua mô phỏng, nhóm nghiên cứu tiến hành các thử nghiệm thực nghiệm để đánh giá khả năng liên kết và độ bền của vật liệu. Kết quả cho thấy các hạt dạng ghim không chỉ tạo thành mạng lưới liên kết ổn định mà còn mang lại sự kết hợp hiếm gặp giữa độ bền kéo và độ dai. Đây là hai đặc tính thường khó xuất hiện đồng thời trong cùng một loại vật liệu kỹ thuật.

Một phát hiện đáng chú ý khác là khả năng điều khiển mức độ liên kết của vật liệu bằng rung động. Theo nhóm nghiên cứu, các rung động nhẹ có thể giúp các hạt dịch chuyển và móc nối chặt chẽ hơn, từ đó làm tăng độ bền của cấu trúc. Ngược lại, các rung động mạnh hơn có thể phá vỡ mạng lưới liên kết, khiến vật liệu nhanh chóng trở về trạng thái gồm các hạt riêng lẻ.

Khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa trạng thái liên kết và trạng thái tháo rời giúp vật liệu sở hữu những đặc tính khác biệt so với phần lớn vật liệu hiện nay. Trong khi nhiều vật liệu có độ bền cao thường khó tháo dỡ hoặc tái chế sau khi sử dụng, vật liệu mới có thể được lắp ráp, tháo rời và tái sử dụng nhiều lần mà không cần các quy trình xử lý phức tạp.

Nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng, nơi các công trình hoặc cấu kiện có thể được lắp ráp từ vật liệu dạng hạt và tháo rời khi hết vòng đời sử dụng thay vì phá dỡ như hiện nay. Cách tiếp cận này có thể góp phần giảm lượng chất thải xây dựng và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Bên cạnh đó, cơ chế liên kết linh hoạt của vật liệu cũng thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực robot. Theo các nhà khoa học, những hệ thống robot gồm nhiều đơn vị nhỏ có thể tận dụng cơ chế này để liên kết với nhau khi thực hiện nhiệm vụ và tách rời khi cần thay đổi cấu hình hoặc di chuyển qua các môi trường phức tạp.

Hiện nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thử nghiệm các thiết kế hạt mới với nhiều nhánh liên kết hơn nhằm tăng cường hiệu ứng móc nối. Các cấu trúc này được lấy cảm hứng từ những loại quả có gai thường bám vào quần áo hoặc lông động vật trong tự nhiên.

Theo các nhà khoa học, việc kiểm soát hình dạng hạt có thể trở thành một hướng tiếp cận mới trong phát triển vật liệu tiên tiến, đặc biệt đối với các ứng dụng đòi hỏi khả năng tái cấu hình, thích ứng và tái sử dụng trong tương lai./.

https://vjst.vn/tu-ghim-kep-giay-den-vat-lieu-ky-thuat-the-he-moi-86930.html