Đã Chế Tạo Ra Vật Liệu Có Khả Năng Loại Bỏ Ma Sát Từ Graphene Và Kim Cương

Ma sát hiện hữu khắp nơi, giúp chúng ta có thể đứng vững được trên sàn nhà, giúp cho mọi thứ được yên vị ở vị trí của nó. Nhưng cũng có rất nhiều trường hợp, ma sát là nguyên nhân cản trở hoạt động của máy móc, làm gia tăng tốc độ bào mòn...

Một loại vật liệu có thể loại bỏ được ma sát là mối quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học. Các nhà khoa học của phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng Lượng Mỹ (US Department of Energy's Argonne National Laboratory) đã chế tạo thành công một loại vật liệu tổ hợp mới có đặc tính siêu trơn – superlubricity – gần như không có ma sát.

Bằng việc kết hợp giữa một lượng nhỏ kim cương, một bề mặt cacbon giống kim cương, và graphene; cú đột phá mới hứa hẹn sẽ mang đến những cải thiện lớn cho các hệ thống cơ học như máy móc, tuabin...

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí danh tiếng Science. Để hiểu rõ về nghiên cứu, trước tiên cần hiểu được nguyên nhân của ma sát. Xét ở mức độ nguyên tử, ma sát được hình thành bởi sự cản trở lẫn nhau của các hạt nguyên tử trên hai bề mặt tiếp xúc, khiến cho việc trượt qua nhau trở nên khó khăn.

Vì vậy, muốn loại trừ ma sát, cần phải loại bỏ được sự cản trở lẫn nhau giữa các hạt nguyên tử. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 3 thành phần quan trọng kết hợp với nhau, bao gồm: các hạt nano kim cương, một bề mặt cacbon giống kim cương (DLC) và các miếng graphene.

Các nhà khoa học đã quan sát sự tương tác của các tấm graphen với các hạt nano kim cương khi chúng cọ sát lên bề mặt DLC: các graphene tự cuộn tròn quanh các hạt kim cương để tạo nên cấu trúc giống như quả bóng nhỏ. Các cấu trúc như vậy được gọi là các nanoscroll.

Những nanoscroll có thể thay đổi hướng trong suốt quá trình trượt, sẽ giúp ngăn cản hai bề mặt tiếp xúc không bị khớp lại với nhau khi trượt trên nhau. Kết quả là ma sát sẽ bị loại bỏ.

Để cho dễ hình dung, quá trình tương tự như khi đặt các quả bóng đặc biệt vào giữa hai lớp vật liệu,giúp giảm ma sát giữa chúng khi chúng di chuyển tương đối với nhau.

Để mô phỏng khả năng hoạt động của các nanoscroll, nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính để thực hiện các tính toán nguyên tử quy mô lớn. Kết quả là, hiệu ứng không chỉ được thấy ở cấp độ nano, mà còn hoạt động ở cấp độ vĩ mô, ít nhất là về lý thuyết.

Tuy nhiên, một khuyết điểm của loại vật liệu mới là tính chất siêu trơn hiện chỉ có thể được duy trì ở điều kiện khô ráo. Có nghĩa là trong môi trường ẩm ướt, nó không còn giữ được các đặc tính như trong điều kiện khô ráo. Nguyên nhân là do sự tồn tại của một lớp nước sẽ ngăn cản quá trình hình thành các quả bóng nanoscroll, khiến cho ma sát tăng lên.

Nhóm nghiên cứu tin rằng phát hiện mới sẽ có ảnh hưởng lớn trong nhiều lĩnh vực. Sanket Deshmukh, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Các kiến thức thu được từ nghiên cứu sẽ có tầm quan trọng rất lớn trong việc tìm kiếm những cách thức giúp giảm ma sát ở tất cả mọi thứ, từ động cơ hay tua bin, cho đến đĩa cứng máy tính và các hệ thống vi cơ điện tử”.