Thủy tinh kim loại là gì?

Thép và chất dẻo đều có vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng và công nghệ. Thép thì cứng và bền nhưng lại khó tạo hình. Chất dẻo thì dễ tạo hình nhưng lại mềm và yếu. Có lẽ không gì tuyệt vời hơn bằng việc có một vật liệu mà vừa cứng cáp như thép mà lại dễ tạo hình như chất dẻo nhỉ? Ashwini Bharathula sẽ nói về tương lai của thủy tinh kim loại.

Thép và chất dẻo.

Hai vật liệu này rất cần thiết trong nhiều
cơ sở hạ tầng cùng kỹ thuật,

Và chúng bổ sung những ưu khuyết điểm cho
nhau.

Thép cứng và chắc chắn,

nhưng khó đổ khuôn.

Còn chất dẻo có thể biến thành bất kì
hình dạng

mềm và dễ gãy.

Vây liệu có tốt khi có một vật liệu

vừa cứng rắn như thép

và cũng dễ tạo hình như chất dẻo?

Rât nhiều nhà khoa học và kỹ sư

phấn khích về một phát minh như vậy lúc
gần đây được gọi là thủy tinh kim loại

có những đặc điểm trên và hơn thế nữa .

Thủy tinh kim loại nhìn bóng và không
trong suốt như kim loại

và cũng như kim loại, chúng dẫn nhiệt
và dẫn điện.

Nhưng chúng chắc hơn đa số kim loại

đồng nghĩa việc chúng có thể chịu
được nhiều lưc hơn

mà không bị bẻ cong hay bị lõm,

rồi trở thành dao mổ siêu bén

và bao da điện tử siêu bền

bản lề,

đinh ốc vít,

và còn nhiều thứ nữa.

Thủy tinh kim loại còn có những khả năng
phi thường

để dự trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi

khiến nó hoàn hảo trong việc thành
dụng cụ thể thao

như vợt tennis

gậy đánh gôn,

và ván trượt tuyết

Chúng có thể chống bị ăn mòn,

và có thể đúc thành những hình dạng phức
tạp có bề mặt như gương

bằng từng bước đúc khuôn.

Dù chúng rất cứng ở nhiệt độ phòng

nhưng nếu bạn tăng lên vài trăm độ C

chúng sẽ mềm đi đáng kể

và bạn có thể nặn nó thành bất cứ dạng gì
bạn thích

Rồi làm nguội nó,

chúng sẽ cứng lại.

Vậy rốt cuộc những thuộc tính kì lạ này
từ đâu ra?

Về bản chất, chúng có từ cấu tạo phân tử
độc nhất của thủy tinh kim loại

Đa phần kim loại là tinh thể như chất rắn.

Nghĩa là nếu bạn phóng to đến mức nhìn
thấy từng cá thể nguyên tử

bạn sẽ thấy chúng xếp thành hàng ngay ngắn

trải dài đến hết vật thể.

Băng là tinh thể,

kim cương cũng thế

và cả muối nữa.

Nếu bạn đun những vật liệu này đủ nóng,
làm chảy nó

những nguyên tử sẽ lắc nhẹ và chuyển
động tự do

nhưng nếu bạn làm nguội nó đi

những nguyên tử lại tự xếp lại

thiết lập lại thành tinh thể.

Nhưng nếu khi bạn làm lạnh chúng đột ngột

những nguyên tử không tìm thấy vị trí của
chúng nữa,

thì vật đó thành chất rắn

còn với cấu trúc hỗn độn vô định hình của
chất lỏng thì sao?

Nó sẽ là thủy tinh kim loại.

Cấu trúc này đã bổ trợ cho việc thiếu
khoảng cách giữa các hạt

Mà mọi kim loại đều gặp phải.

Chúng là những điểm yếu khiến
vật liệu dễ bị trầy xước

Hay bị ăn mòn.

Thủy tinh kim loại đầu tiên được làm ra
vào năm 1960 từ vàng và silicon

Tạo ra nó không dễ.

Vì mấy nguyên tử kim loại
kết tinh rất nhanh.

Những nhà khoa học phải làm lạnh
hợp kim này bằng tốc độ không tưởng,

Giảm 1 triệu độ K trên một giây

Bằng cách bắn những hạt siêu
nhỏ vào trên khay đồng

Hay quay dải băng siêu mỏng.

Vào lúc đó, thủy tinh kim loại chỉ dày
khoảng mười đến vài trăm micromét

Nó quá mỏng để áp dụng thử.

Nhưng từ đó các nhà khoa học
cũng phát hiện

Rằng nếu bạn trộn nhiều loại kim loại
có thể trộn với nhau dễ dàng

Nhưng khó kết tinh với nhau

Thường bởi vì chúng có kích cỡ
nguyên tử khác nhau

Hỗn hợp sẽ kết tinh chậm hơn

Đồng nghĩa với việc ta không cần
làm lạnh nó nhanh chóng

Nên vật liệu sẽ dày hơn

Thành centimét thay vì micromét

Những vật liệu này được gọi là thủy tinh
kim loại khối, hay BMGs

Ngày nay có hơn trăm loại
BGMs khác nhau

Nhưng tại sao chúng không được áp
dụng làm những cây cầu và xe?

Rất nhiều BGMs thông dụng hiện nay
được làm từ những kim loại đắt tiền

Như Palađi và Ziriconi

Và phải nguyên chất

Bởi do bất kì tạp chất nào cũng
ảnh hưởng đến sự kết tinh

Do đó tòa nhà hay tàu con thoi
làm từ BGMs sẽ cực kì mắc tiền

Dù chúng rất cứng

Nhưng chúng chưa đủ cứng để được
sử dụng trong việc nâng đỡ

Khi áp lực tăng cao, chúng sẽ gãy
mà không hề báo trước

Việc đó không phù hợp cho việc dùng
làm vật liệu xây cầu

Nhưng khi những nhà khoa học tìm
ra cách làm BGMs từ những kim loại rẻ hơn

Và làm chúng cứng hơn nữa

Khi đó, với kim loại siêu việt này

Chẳng còn gì là giới hạn cả.