Polymer tự lành là loại nhựa hoặc lớp phủ có thể tự hàn lại vết xước, vết nứt nhỏ mà không cần người sửa. Có hai cách chính: nhựa mang sẵn "thuốc vá" trong những viên nang siêu nhỏ, vỡ ra khi có vết nứt; hoặc các mạch phân tử được nối bằng những liên kết có thể đứt rồi tự nối lại, thường khi được làm ấm. Thứ bạn dễ gặp nhất ngoài đời là phim dán bảo vệ sơn ô tô, vết xước mờ dần khi phơi nắng hay dội nước ấm.
Ý tưởng mượn từ cơ thể sống
Da bị xước sẽ liền lại. Xương gãy có thể nối lại. Vật liệu nhân tạo thì ngược lại: một vết nứt nhỏ trong cánh máy bay composite hay vỏ nhựa chỉ có thể lớn dần theo thời gian, cho tới khi phải thay thế. Các kỹ sư từ lâu mơ một vật liệu biết "tự chữa", ít nhất với những hư hỏng nhỏ trước khi chúng thành hư hỏng lớn.
Vết nứt vi mô là kẻ thù thầm lặng. Chúng hình thành do rung, do va chạm nhẹ, do nhiệt độ lên xuống, thường bên trong vật liệu nơi mắt thường không thấy. Nếu vật liệu tự vá được chúng khi còn nhỏ, tuổi thọ của chi tiết có thể kéo dài đáng kể.
Nhựa mang theo thuốc vá: thí nghiệm Illinois năm 2001
Bước ngoặt được nhắc nhiều nhất là bài báo trên tạp chí Nature năm 2001 của nhóm Scott White, Nancy Sottos, Jeffrey Moore và cộng sự tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign. Ý tưởng của họ dễ hình dung:
- Trộn vào nhựa epoxy những viên nang siêu nhỏ, cỡ vài chục đến vài trăm micromet, bên trong chứa chất lỏng có thể đóng rắn.
- Rải đều trong nhựa các hạt chất xúc tác.
- Khi vết nứt chạy qua, nó làm vỡ các viên nang trên đường đi. Chất lỏng chảy ra, lấp vào khe nứt nhờ mao dẫn.
- Chất lỏng gặp chất xúc tác, trùng hợp thành nhựa rắn, dán hai mép nứt lại.
Trong thí nghiệm, mẫu nhựa sau khi tự lành phục hồi được phần lớn độ bền chống nứt ban đầu. Đây là bằng chứng rằng một vật liệu nhân tạo có thể tự vá mà không cần ai can thiệp.
Giới hạn: viên nang chỉ vỡ một lần
Nhược điểm hiển nhiên: viên nang đã vỡ thì hết thuốc. Nếu vết nứt lặp lại đúng chỗ cũ, vật liệu không tự lành được nữa. Để khắc phục, cùng nhóm nghiên cứu về sau phát triển hệ "mạch máu": mạng ống siêu nhỏ chạy trong vật liệu, chở chất vá tới vết nứt nhiều lần, giống mạch máu nuôi da.
Liên kết biết tự nối lại: cách thứ hai
Cách tiếp cận khác không cần thuốc vá bên ngoài. Thay vào đó, chính các mạch polymer được nối với nhau bằng loại liên kết có thể đứt ra rồi tự hình thành lại.
| Loại liên kết | Cách tự lành | Điều kiện thường cần |
|---|---|---|
| Liên kết hydro, liên kết siêu phân tử | Các nhóm hoá học "bắt tay" nhau, đứt ra thì tìm bạn mới để bắt tay lại | Ép hai mép vào nhau, nhiệt độ phòng hoặc ấm |
| Liên kết cộng hoá trị thuận nghịch (ví dụ phản ứng Diels – Alder) | Đun nóng thì liên kết mở ra, nguội đi thì đóng lại | Gia nhiệt tới mức nhất định |
| Vitrimer (nhựa trao đổi liên kết) | Các liên kết đổi chỗ cho nhau mà mạng vẫn giữ nguyên số liên kết | Nhiệt độ cao |
| Nhựa nhiệt dẻo đàn hồi (như TPU) | Mạch polymer được làm mềm, chảy nhẹ lấp vết xước nông, bề mặt phẳng lại | Nắng, nước ấm, máy sấy ở khoảng cách an toàn |
Năm 2008, nhóm của Ludwik Leibler ở Paris công bố trên Nature một loại cao su siêu phân tử: cắt đôi, ép hai mặt cắt vào nhau ở nhiệt độ phòng, chúng dính lại và kéo giãn được. Năm 2011, cũng nhóm này giới thiệu vitrimer trên Science, loại nhựa vừa cứng như nhựa nhiệt rắn vừa có thể nung để sửa, hàn và tạo hình lại.
Bạn đã gặp vật liệu tự lành ở đâu
Phim dán bảo vệ sơn ô tô
Phim PPF (paint protection film) loại tốt thường làm từ polyurethane nhiệt dẻo, có lớp phủ trên cùng được quảng cáo là tự lành. Vết xước nông do cành cây, móng tay, bàn chải rửa xe sẽ mờ dần hoặc biến mất khi phim được làm ấm. Cơ chế chủ yếu là lớp phủ đàn hồi được nhiệt làm mềm, các mạch polymer bị ép lõm "đàn hồi trở lại" và lấp mặt phẳng.
Nhưng vết rách sâu xuyên qua lớp phủ, vết cắt đứt phim, vết đá văng thủng phim thì không tự lành. Lời hứa "tự lành" chỉ áp dụng cho vết xước bề mặt.
Lớp sơn và lớp phủ điện thoại
Từ giữa thập niên 2000, một số hãng ô tô Nhật giới thiệu lớp sơn bóng có khả năng tự hồi phục vết xước nhỏ. Vài mẫu điện thoại cũng từng có mặt lưng phủ lớp tự lành, như LG G Flex năm 2013. Những lớp phủ này dùng cùng nguyên lý: polymer đàn hồi, xước nông thì hồi lại theo thời gian.
Bê tông tự lành: họ hàng khác ngành
Không phải polymer, nhưng cùng tinh thần: nhóm của Henk Jonkers ở Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, trộn vào bê tông các bào tử vi khuẩn cùng chất dinh dưỡng. Khi nước lọt vào vết nứt, vi khuẩn thức dậy và tạo ra canxi cacbonat bịt kín khe nứt nhỏ.
Những điều quảng cáo hay nói quá
- "Tự lành mọi vết xước" là không đúng. Gần như mọi hệ tự lành chỉ xử lý vết nhỏ, nông. Vết sâu, vết mất vật liệu thì không có gì để nối.
- "Tự lành ngay lập tức" thường không đúng. Nhiều hệ cần nhiệt, thời gian từ vài phút đến vài ngày, hoặc phải ép hai mép vào nhau.
- "Bền như mới" cần kiểm chứng. Chỗ đã lành có thể yếu hơn hoặc không còn trong suốt như cũ.
- Lớp tự lành cũng già đi. Sau nhiều năm phơi nắng, lớp phủ có thể mất dần khả năng hồi phục.
Thử "tự lành" an toàn với phim dán
Nếu xe đã dán PPF và có vết xước nông, cách thường được nhà sản xuất khuyên là để xe dưới nắng hoặc dội nước ấm như nước tắm, đợi vài phút. Không dùng súng nhiệt hay đèn khò áp sát, vì quá nhiệt có thể làm phồng phim, hỏng keo, thậm chí hại lớp sơn bên dưới. Làm theo hướng dẫn của hãng phim bạn đang dùng.
Góc nhìn hôm nay: tự lành là kéo dài tuổi thọ, không phải bất tử
Vật liệu tự lành nghe như khoa học viễn tưởng, nhưng mục tiêu thực tế của nó khiêm tốn và rất có giá trị: chặn hư hỏng từ khi còn nhỏ, để chi tiết bền lâu hơn, ít phải thay hơn, ít rác thải hơn. Các nhà nghiên cứu nhắm tới những nơi khó sửa chữa: lớp cách điện cáp ngầm, vỏ thiết bị điện tử mềm, composite trong máy bay và tua bin gió, lớp phủ chống ăn mòn.
Câu hỏi đáng hỏi khi gặp một sản phẩm "tự lành": nó lành loại hư hỏng nào, cần điều kiện gì, lành được bao nhiêu lần, và sau khi lành còn giữ được bao nhiêu phần trăm tính năng. Bốn câu đó tách được khoa học thật khỏi chiêu tiếp thị.
Muốn đọc thêm, Viện Beckman thuộc Đại học Illinois, nơi nhóm White, Sottos và Moore làm việc, có nhiều tài liệu phổ biến về vật liệu tự lành. Các bài tổng quan trên tạp chí khoa học vật liệu cũng thường xuyên cập nhật hướng nghiên cứu mới.
Câu hỏi thường gặp
Polymer tự lành là gì?
Polymer tự lành là nhựa hoặc lớp phủ có thể tự vá vết xước, vết nứt nhỏ. Nó làm được nhờ viên nang chứa chất vá vỡ ra khi nứt, hoặc nhờ các liên kết phân tử có thể đứt rồi tự nối lại.
Phim dán PPF tự lành có thật không?
Có, với vết xước nông trên lớp phủ trên cùng. Khi được làm ấm bằng nắng hoặc nước ấm, lớp polyurethane đàn hồi hồi lại và vết xước mờ đi. Vết rách sâu, vết cắt xuyên phim thì không tự lành.
Ai phát minh ra vật liệu tự lành?
Nhiều nhóm cùng đóng góp. Công trình được nhắc nhiều nhất là bài báo trên Nature năm 2001 của nhóm Scott White, Nancy Sottos và Jeffrey Moore tại Đại học Illinois, dùng viên nang chứa chất vá trong nhựa epoxy.
Vật liệu tự lành có lành được nhiều lần không?
Tuỳ loại. Hệ viên nang chỉ lành một lần ở mỗi vị trí vì nang đã vỡ thì hết chất vá. Hệ dùng liên kết thuận nghịch hoặc mạng ống dẫn có thể lành nhiều lần, nhưng thường cần nhiệt hoặc thời gian.
Có nên dùng súng nhiệt để làm phim dán tự lành nhanh hơn?
Không nên áp sát. Quá nhiệt có thể làm phồng phim, hỏng keo hoặc ảnh hưởng lớp sơn. Cách an toàn thường được khuyên là phơi nắng hoặc dội nước ấm và làm theo hướng dẫn của hãng phim.
