Là một khái niệm sáng tạo trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, nguồn cảm hứng cho vật liệu tự phục hồi đến từ các sinh vật sống có khả năng tự phục hồi bẩm sinh. Theo hướng này, việc tìm kiếm vật liệu tự phục hồi thường tập trung vào các vật liệu "mềm" như polyme và hydrogel. Đối với kim loại trạng thái rắn, người ta có thể trực giác hình dung rằng bất kỳ hình thức tự phục hồi nào cũng sẽ khó đạt được hơn nhiều.
Hành vi tự phục hồi của kim loại ít nhiều cần sự hỗ trợ của các tác nhân bên ngoài (ví dụ như bằng cách nung nóng, kích thích cơ học hoặc chiếu xạ chùm tia điện tử).
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Matter , các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý (IOP) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát hiện ra rằng hiện tượng tự phục hồi nội tại và tự chủ như vậy có thể xảy ra ở bạc (Ag) ở kích thước nano.
 |
| Hiện tượng tự phục hồi Ag ở cấp độ nano được phát hiện. Ảnh: Viện Vật lý Trung Quốc (Ảnh: IOP) |
Nghiên cứu này, kết hợp kính hiển vi điện tử truyền qua tại chỗ (TEM) tiên tiến với mô phỏng động lực học phân tử (MD), cho thấy Ag ở cấp độ nano có thể tự phục hồi sau những hư hỏng về cấu trúc, chẳng hạn như vết nứt nano và lỗ nano, mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.
Khả năng đáng chú ý này không chỉ được quan sát thấy ở nhiệt độ phòng mà còn ở nhiệt độ lạnh tới 173 K. Đáng chú ý là trên cùng một khu vực bị hư hại, các chu kỳ tự phục hồi có thể đảo ngược lặp đi lặp lại cũng có thể đạt được với cùng mức hiệu quả.
Các thí nghiệm được thực hiện bên trong TEM có độ phân giải nguyên tử bằng cách sử dụng các tấm nano Ag đơn tinh thể làm mẫu thử nghiệm. Cả nanopore và nanocrack đều được chế tạo có chủ đích thông qua khoan tại chỗ bằng chùm tia điện tử TEM. Để tránh bất kỳ sự can thiệp nào có thể xảy ra đối với quá trình chữa lành , mẫu tấm nano Ag sau đó được giữ ở trạng thái "tắt chùm tia" cho đến từng khoảnh khắc để chụp ảnh TEM theo khoảng thời gian.
Một kết quả thú vị và có lẽ đáng ngạc nhiên là hai loại hư hỏng cấu trúc tiêu biểu được quan sát thấy có khả năng tự phục hồi nhanh chóng một cách độc lập trong vòng vài đến hàng chục phút, với các vùng được chữa lành khôi phục hoàn hảo mạng tinh thể Ag với trật tự chính xác đến từng nguyên tử.
Không giống như Ag, vàng (Au) không cho thấy hành vi tự phục hồi tương tự ở nhiệt độ phòng, mặc dù thực tế là Au là nguyên tố có liên quan nhất đến Ag trong bảng tuần hoàn và chúng có nhiều điểm tương đồng về tính chất vật lý và hóa học.
Các kết quả mô phỏng MD tiếp theo tái tạo các quan sát thực nghiệm, đặc biệt là về sự khác biệt trong hành vi chữa lành giữa Ag và Au. Điểm khác biệt giữa Ag và Au là tính di động cao của quá trình khuếch tán bề mặt, một đặc điểm không thường thấy ở các chất rắn kim loại khác.
Bằng cách sử dụng TEM, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi tại chỗ các quỹ đạo của quá trình chữa lành trong Ag ở cấp độ nguyên tử. Với sự kết hợp giữa hình ảnh nguyên tử và kết quả mô phỏng lý thuyết, nghiên cứu nhấn mạnh rằng quá trình tự chữa lành được kích hoạt bởi sự tự khuếch tán trung gian bề mặt của các nguyên tử Ag do mất cân bằng điện thế hóa học do hiệu ứng Gibbs-Thomson.
Khi một cấu trúc hư hỏng mới hình thành (hoặc nanopore hoặc nanocrack) bắt đầu tồn tại trong một tấm nano Ag, một vị trí lõm có độ cong cục bộ âm được tạo ra. Do sự phụ thuộc chung vào độ cong của thế năng hóa học, vị trí hư hỏng lõm do đó sẽ có thế năng hóa học nhỏ hơn so với các vùng không bị hư hỏng của tấm nano. Sự mất cân bằng thế năng hóa học tích hợp này thúc đẩy các nguyên tử Ag di chuyển và tự sửa chữa hư hỏng, thể hiện một hình thức tự duy trì vật liệu tinh vi.
Khả năng tự phục hồi hư hỏng ở cấp độ nano của Ag ở nhiệt độ phòng trở xuống cho thấy triển vọng phát triển các linh kiện và thiết bị chịu được hư hỏng ở thang độ dài dưới micromet.
Có lẽ quan trọng hơn, theo nghĩa rộng hơn, phát hiện bất thường này ở cấp độ cơ học có thể cung cấp một khuôn khổ hướng dẫn để hiểu sâu hơn về hiện tượng tự phục hồi và các khái niệm trong chất rắn kim loại nói chung.