Để tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải máy bay, các kỹ sư đang tìm cách chế tạo những chiếc máy bay nhẹ hơn, mạnh mẽ hơn từ vật liệu tổng hợp tiên tiến.

Những vật liệu kỹ thuật này được làm từ sợi hiệu suất cao được nhúng trong các tấm polymer. Các tấm có thể được xếp chồng lên nhau và ép thành một vật liệu nhiều lớp và tạo thành các cấu trúc cực kỳ nhẹ và bền.

Nhưng vật liệu composite có một điểm yếu chính: khoảng trống giữa các lớp, thường được lấp đầy bằng “keo” polymer để liên kết các lớp lại với nhau. Trong trường hợp bị va đập hoặc va chạm, các vết nứt có thể dễ dàng lan rộng và làm suy yếu vật liệu, mặc dù bản thân các lớp có thể không bị hư hại rõ ràng. Theo thời gian, khi những vết nứt ẩn này lan rộng giữa các lớp, hỗn hợp có thể đột ngột vỡ vụn mà không báo trước.

Giờ đây, các kỹ sư của MIT (Viện Công nghệ Massachusetts - Hoa Kỳ) đã chứng tỏ rằng họ có thể ngăn chặn các vết nứt lan rộng giữa các lớp composite bằng cách sử dụng phương pháp mà họ đã phát triển được gọi là "khâu nano", trong đó họ đặt nhiều ống nano cacbon cực nhỏ được tạo bằng phương pháp hóa học giữa các lớp composite. Các sợi nhỏ, dày đặc bám chặt và giữ các lớp lại với nhau, giống như Velcro siêu bền, ngăn các lớp bong tróc hoặc tách rời.

Sợi nano carbon cực mỏng len vào giữa vật liệu composite và gia cố độ bền lên đến 60%.

Trong các thí nghiệm với vật liệu composite tiên tiến được gọi là laminate sợi carbon lớp mỏng, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các lớp được liên kết bằng đường khâu nano đã cải thiện khả năng chống nứt của vật liệu lên tới 60%, so với vật liệu tổng hợp bằng polyme thông thường. Các nhà nghiên cứu cho biết kết quả này giúp giải quyết lỗ hổng chính trong vật liệu tổng hợp tiên tiến.

Brian Wardle, giáo sư hàng không và du hành vũ trụ tại MIT cho biết: “Giống như bột phyllo bong ra, các lớp composite có thể bong ra vì vùng xen kẽ này là gót chân Achilles của vật liệu tổng hợp. Chúng tôi đang chứng minh rằng khâu nano làm cho vùng thường yếu này trở nên chắc chắn và cứng đến mức vết nứt sẽ không phát triển ở đó. Vì vậy, chúng tôi có thể mong đợi thế hệ máy bay tiếp theo sẽ có vật liệu tổng hợp này, để giúp máy bay an toàn hơn và có tuổi thọ cao hơn."

Wardle và các đồng nghiệp của ông đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Vật liệu và Giao diện Ứng dụng ACS . Đồng tác giả nghiên cứu còn có các nhà khoa học khác từ MIT là Carolina Furtado, cùng với Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen và Pedro Camanho.

Tại MIT, Wardle là giám đốc của Necstlab, nơi ông và nhóm của mình lần đầu tiên phát triển khái niệm về khâu nano. Cách tiếp cận này liên quan đến việc “phát triển” một rừng ống nano carbon thẳng hàng - những sợi carbon rỗng, mỗi sợi nhỏ đến mức hàng chục tỷ ống nano có thể đứng trong một khu vực nhỏ hơn móng tay. Để phát triển các ống nano, nhóm nghiên cứu đã sử dụng quy trình lắng đọng hơi hóa học để phản ứng với các chất xúc tác khác nhau trong lò, khiến carbon lắng xuống bề mặt dưới dạng các chất hỗ trợ nhỏ như sợi tóc. Các giá đỡ cuối cùng được loại bỏ, để lại đằng sau một rừng dày đặc các cuộn carbon cực nhỏ, thẳng đứng.

Vật liệu tổng hợp được "khâu nano" sẽ là tương lai của máy bay, tàu vũ trụ.

Phòng thí nghiệm trước đây đã chỉ ra rằng vô số ống nano có thể được trồng và bám dính vào các lớp vật liệu composite, đồng thời hợp chất được gia cố bằng sợi này giúp cải thiện độ bền tổng thể của vật liệu. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy một số dấu hiệu cho thấy sợi có thể cải thiện khả năng chống nứt giữa các lớp của vật liệu composite.

Trong nghiên cứu mới của mình, các kỹ sư đã xem xét sâu hơn về vùng giữa các lớp trong vật liệu tổng hợp để kiểm tra và định lượng xem khâu nano sẽ cải thiện khả năng chống nứt của vùng như thế nào. Đặc biệt, nghiên cứu tập trung vào một loại vật liệu composite tiên tiến được gọi là tấm sợi cacbon mỏng.

Stephen Tsai, giáo sư danh dự về hàng không và du hành vũ trụ tại Đại học Stanford, cho biết: “Các tác giả đã chứng minh rằng các lớp mỏng và đường khâu nano cùng nhau đã làm tăng đáng kể độ bền”. “Vật liệu tổng hợp bị suy thoái do độ bền giữa các lớp yếu. Bất kỳ cải tiến nào được thể hiện trong công việc này sẽ làm tăng thiết kế cho phép, đồng thời giảm trọng lượng và chi phí của công nghệ vật liệu tổng hợp.”

Các nhà nghiên cứu hình dung rằng bất kỳ phương tiện hoặc cấu trúc nào kết hợp vật liệu tổng hợp thông thường đều có thể được chế tạo nhẹ hơn, cứng hơn và đàn hồi hơn bằng khâu nano.