Càng nhỏ càng bền hay càng lớn càng bền?

“Càng nhỏ càng bền” chúng tôi đã phát biểu như vậy cách đây hơn hai năm tại một hội nghị cơ học toàn quốc được tổ chức nhân dịp thành lập Viện cơ học. Mọi người khi đó đều đồng ý như vậy, vì tại thời điểm đó thì phát hiện này cũng không có gì là mới. Và trong thế giới nanô, mọi thứ được mặc định là sẽ tốt hơn, phong phú hơn. Và mọi điều bất ngờ tưởng chừng không thể xảy ra, thì lại rất hay xảy ra trong thế giới nanô. Năm ngoái chúng tôi cũng công bố một nghiên cứu để tái khẳng định lại phát biểu này [1]. Trên thực tế hiện tượng này đã được phát hiện cách đây 50 năm khi các nhà khoa học tiến hành so sánh độ bền giữa các sợi có đường kính vài micrô mét. Sau đó nó đã nó đã mở ra một loạt các nghiên cứu về tính chất cơ học của vật liệu có kích thước nanô. Điều này bởi biến dạng cơ học là ảnh hưởng lớn đến các tính chất điện tử, phân cực của vật liệu. Do đó, biến dạng sẽ được sử dụng như là một phương pháp để điều chỉnh các tính chất vật lý cũng như hoá học của vật liệu.

Vậy tại sao nhỏ hơn lại bền hơn. Vật liệu nanô cho thấy ảnh hưởng của sức căng bề mặt là rất lớn, do chúng nhỏ dẫn đến tỷ lệ giữa bề mặt và thể tích lớn. Các bạn có thể hình dung bề mặt của nước, con nhện có thể dễ dàng di chuyển trên mặt nước do lực căng này. Hiểu một cách nôm na là mặt nước có vẻ chắc chắn hơn bên trong nước. Tuy nhiên với kích thước lớn hiệu ứng này rất yếu nên chúng ta khó có thể cảm nhận được. Đối với vật liệu nanô câu chuyện lại khác. Khi kích thước thu nhỏ tới một giá trị nhất định, lực căng bề mặt sẽ đủ lớn để kéo co cả hình dáng của vật liệu nhỏ lại. Do đó khi bạn tác dụng một lực kéo, ngoài lực phản kháng lại xuất phát từ nội tại của vật liệu còn cả lực căng bề mặt này nữa. Điều này kiến cho vật liệu bền hơn. Nếu những điều trên kiến bạn khó hình dung ra được, thì chúng ta hãy suy nghĩ về một thứ khác, nhưng cũng là một quan hệ giữa lực và quy mô chiều dài. Trong bốn lực của vật lý như bạn biết lực hấp dẫn là yếu nhất nhưng lại có bán kích tác dụng dài nhất, sau đó là đến lực điện từ có bán kích tác dụng vài Angstrom, tiếp đến là lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Lực hạt nhân mạnh đúng nghĩa đen của cái tên của nó, nó là lực mạnh khủng khiếp, tuy nhiên lại có bán kích tác dụng vô cùng vô cùng nhỏ. Do đó không có gì là lạ khi quy mô kích thước của vật liệu cũng ảnh hưởng lên các lực tương tác dẫn đến sự thay đổi độ bền.

1-s2.0-S0927025615008125-fx1
Càng nhỏ càng yếu [2].
Các bạn có thể dừng lại, vì nếu các bạn đọc tiếp sẽ thấy lần này chính chúng tôi lại chứng minh rằng mình đã sai. Đầu năm nay chúng tôi mới công bố một nghiên cứu khác chứng minh rằng “Càng nhỏ càng yếu”. Chúng tôi phát hiện ra rằng trong trường hợp ống nano các bon. Một dạng vật liệu được cấu thành nên từ các nguyên tử các bon xắp xếp trong một mạng tinh thể lục giác bao quanh một ống trụ tròn. Vật liệu này cho thấy chúng không có ứng suất bề mặt bởi liên kết PI của chúng là rất yếu. Các bạn có thể hình dung liên kết này ở đầu bút chì. Bút chì dễ dàng để lại vết khi bạn viết vì liên kết PI rất yếu nên các lớp than chì dễ dàng tách khỏi nhau. Quay lại bài toán của chúng ta, vì không có lực căng bề mặt nên thành ra với đường kính nhỏ hay lớn, các ống nano các bon đều cho thấy tính chất cơ học là giống nhau. Tuy nhiên khi rất nhỏ (cụ thể là nhỏ hơn 4 nanô mét), lực tương tác tầm xa có xu hướng là lực đẩy, do đó làm cho ống hơi phình ra một chút (Chú ý: lực căng bề mặt là lực có xu hướng hút). Chính điều này cũng khiến cho tính chất cơ học của chúng bị giảm. Mặc dù không phải lúc nào yếu hơn cũng tệ hơn đúng không các bạn. Tính chất cơ học đặc biệt của ống nano các bon cũng dẫn đến một nghiên cứu khác của chúng tôi trong việc sử dụng ống nano các bon như một cơ bắp nhân tạo bằng việc điều chỉnh mức Fermi. Tôi sẽ nói nhiều hơn về chủ đề cơ bắp nhân tạo trong bài tiếp theo sau khi nghiên cứu của chúng tôi được công bố.

Ôh vậy là nếu có cơ hội phát biểu lại tôi sẽ phát biết là: “Càng nhỏ càng bền hoặc càng nhỏ càng yếu”, điều này phụ thuộc vào chúa chơi trò xúc xắc.😀

[1] N. T. Hung, et. al., Surf. Sci. 641 (2015) 1-5.[Link] [PDF]
[2] N. T. Hung, et. al., Comput. Mater. Sci. 114 (2016) 167-171. [Link] [PDF]

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s