CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Sưu tầm từ trang: http://www.hoahocvietnam.com và http://vatlyvietnam.org

Mục lục:

Tương lai tươi sáng cho màn hình OLED

Vật liệu ZIFs và những triển vọng ứng dụng trong tương lai

Tảo cát được chuyển thành phần tử Silic cảm biến

Từ túi nhựa tới tà vẹt đường sắt

Một hợp kim mới có thể làm tăng nhiệt độ của động cơ

Kính mát thông minh

Những sự kiện đáng nhớ nhất trong lịch sử ngành vật liệu học

Vật liệu hợp kim cho ngành công nghiệp hóa chất

Vật liệu nano với độ cứng kỷ lục

Plastic trở thành nhiên liệu trong tương lai

Tương lai tươi sáng cho màn hình OLED

Màn hình OLED có nhiều ưu điểm hơn so với màn hình tinh thể lỏng (LCD) thông dụng hiện nay. Trong đó quan trọng nhất là ánh sáng từ các màn hình OLED được chiếu trực tiếp từ các polymer hữu cơ làm cho hình ảnh hiển thị sáng và trong hơn so với bộ phận lọc màu của các màn hình LCD. Điều đó có nghĩa là các màn hình OLED không cần ánh sáng nền, chúng tiêu thụ ít điện hơn và có thể chế tạo các màn hình mỏng hơn nhiều. Thậm chí, các nhà khoa học vật liệu hy vọng có thể in cả OLED trực tiếp lên các bề mặt, hay dùng để chế tạo các bóng đèn huỳnh quang rẻ tiền hơn.

Tuy nhiên, để khai thác có hiệu quả ánh sáng phát ra từ các polymer thì cần có thêm một lớp phát xạ làm từ vật liệu có lân quang. Mặt khác sự chuyển đổi phóng xạ này còn giúp giảm lãng phí, thay vì chuyển thành ánh sáng bình thường thì nó làm tăng độ sáng và sự trong suốt của hình ảnh.

OLED có thể tạo ra hàng loạt tia sáng với màu sắc ấn tượng

Vật liệu phù hợp nhất cho mục đích này chính là phức chất Iridi (III) với các phối tử mạch vòng có cấu trúc lớn, giúp đảm bảo độ bền, thời gian đáp ứng nhanh và truy xuất được các màu sắc trong vùng quang phổ nhìn thấy. Tuy nhiên sản xuất ra loại phức chất này đòi hỏi nhiệt độ cao hay cần có chất xúc tác đắt tiền, và việc tráng chất này lên polymer hữu cơ là một quá trình phức tạp. Điều này đã hạn chế việc dùng OLED trên các ứng dụng nhỏ như điện thoại di động.

Giờ đây, một đội nghiên cứu do Biao Wang dẫn đầu tại trường đại học Sun Yat-Sen, thuộc Quảng Châu (Trung Quốc) đã có thể giải quyết được vấn đề, bằng cách phát triển một loại phức chất Iridi mới vừa dễ chế tao lại vừa dễ tan, tạo ra khả năng có thể phun nó lên các bề mặt. Bí quyết của tính tan nằm ở việc chọn phối tử là các phenol tạo ra sự cản trở về mặt không gian. Các nhà nghiên cứu cho biết phức chất của họ gồm có nguyên tử Iridi kết hợp với ba phối tử là dẫn xuất của phthalazine, chất này đã được tổng hợp một cách tình cờ từ Iridi clorua trong điều kiện êm dịu và không có xúc tác. Phát hiện này có thể làm đơn giản hoá quá trình sản xuất, giảm giá thành OLEDs, từ đó có những ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

“Đây là một hợp chất thú vị và kết quả thu được rất tốt.” Nhà nghiên cứu về OLED tại đại học Nam California, Mark Thompson nhận xét. “Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và tràn đầy hy vọng là có thể chế tạo được những màn hình OLED có kích thước lớn hơn.”

Thu Hà (theo RSC)
hoahocvietnam.com

Vật liệu ZIFs và những triển vọng ứng dụng trong tương lai

Gần đây nhóm nghiên cứu của giáo sư O. M. Yaghi thuộc trường Đại học California ở Los Angeles đã tổng hợp thành công một loại vật liệu mới có khả năng lưu giữ một lượng đáng kể CO2-loại khí chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính, phát thải ra do quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch của các ngành công nghiệp và các phương tiện giao thông.

Vật liệu này được nhóm tác giả đặt tên là ZIFs được tạo thành từ mạng lưới là các nguyên tử kim loại chuyển tiếp (M) (đặc biệt là kẽm và coban) liên kết với nhau bằng các cầu nối là các phân tử hữu cơ imidazol (IM).

Các nguyên tử kim loại và imidazol liên kết với nhau theo kiểu liên kết tứ diện, tạo thành góc liên kết M-IM-M gần bằng 145o, tương tự như góc liên kết Si-O-Si thường thấy trong các zeolit.

Nhóm nghiên cứu cùng Giáo sư Omar M. Yaghi tại phòng thí nghiệm
Từ trái qua phải: Rahul Banerjee, UCLA postdoctoral research scholar in chemistry; Anh Phan, UCLA graduate student in chemistry; and Bo Wang, UCLA graduate student in chemistry.

Đã có 25 loại tinh thể ZIFs được tổng hợp, tất cả chúng đều có cấu trúc khung tứ diện mở. Do có cấu trúc như thế nên ZIFs có độ xốp rất lớn với diện tích bề mặt riêng lên đến 1970 m2/gam và đường kính mao quản lên đến 10Å . Một số ZIFs thể hiện khả năng lưu giữ đặc biệt đối với khí CO2, một lít vật liệu ZIF-69 có thể lưu giữ được 83 lít CO2 ở nhiệt độ 0oC dưới áp suất thường.

Theo giáo sư Yaghi, sở dĩ ZIFs có khả năng lưu giữ được một lượng lớn CO2 là do các vòng benzen trong cấu trúc giống như những chiếc van khóa lấy các phân tử CO2 trong mao quản. Mặt khác, các nguyên tử cacbon của phân tử CO2 một phần mang điện tích dương dễ dàng kết hợp với nguyên tử nitơ của imidazol trong cấu trúc mang diện tích âm.

ZIF

Cấu trúc của vật liệu ZIFs

Ngoài ra, do độ bền nhiệt của ZIFs có thể lên đến 390oC và là loại vật liệu rắn, dễ thu hồi và tái sử dụng sau khi dùng nên ZIFs còn có nhiểu triển vọng ứng dụng như: dùng để tách hỗn hợp các hydrocacbon khác nhau, lưu trữ hydrogen và các ứng dụng khác.

Như vậy, với những tính chất này ZIFs sẽ là vật liệu được dùng để xử lý khí CO2 góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính nguyên nhân gây nên sự ấm dần lên của khí hậu trái đất. Ngoài ra, nó còn có nhiều triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, hóa dầu và nhiều lĩnh vực liên quan khác.

Khương Trung Thủy
hoahocvietnam.com

Tảo cát được chuyển thành phần tử Silic cảm biến

Trong vỏ Trái Đất tồn tại lượng lớn silic dưới dạng khoáng silicate, nhưng để chiết lọc được đòi hỏi những điều kiện vô cùng nghiêm ngặt. Điều đó hiện nay đã thay đổi, đó là nhờ công trình tiên phong của Ken Sandhage và đội ngũ các nhà khoa học vật liệu của mình tại Học Viện Công nghệ Georgia của Atlanta ở Mỹ. Họ đã tìm ra một phương pháp đơn giản biến đổi vỏ tảo cát- là bộ khung dựa trên oxyt silic phức tạp của một loại đơn bào quang hợp phổ biến gọi là tảo cát thành các cấu trúc silic tinh khiết với rất nhiều ứng dụng.

Việc tách rời các nguyên tử silic và oxy cần nhiệt độ cao của lò điện hồ quang lõi than, và số lượng lớn gỗ, than củi hay than đá. Tại nhiệt độ khoảng 2000oC, carbon ở nhiệt độ cao khử các hợp chất silic thành silic lỏng, khi làm lạnh sẽ thu được silic tinh khiết 98%. Nếu được tinh chế thêm có thể cung cấp silic siêu tinh khiết cho ngành công nghiệp điện.

Nhưng ở nhiệt độ khoảng 650oC, Sandhage và nhóm của ông nhận thấy rằng hơi Magiê có thể khử lớp vỏ thủy tinh phức tạp của tảo cát đã chết thành hỗn hợp Oxyt silic và Oxyt magiê. Sau đó tan ra trong Axit clohydric, còn lại silic tinh khiết có cấu trúc nano mà cấu trúc này có hình dạng đường vân rất đẹp là bản sao chính xác của vỏ tảo cát ban đầu.

Nó là một chất khí
Nhóm Atlanta cho rằng với cấu trúc có diện tích bề mặt lớn và lỗ xốp hở 3 chiều những bản sao silic của vỏ tảo cát này có thể khiến chúng trở thành những phần tử cảm biến khí cực nhỏ vô cùng lý tưởng. Người ta đã kiểm tra bằng cách gắn điện cực platin vào một vỏ tảo silic, và áp một điện thế nhỏ. Không giống như Oxyt silic cách điện, silic là một loại bán dẫn có thể truyền dòng điện với lượng biến đổi.

Cho cấu trúc tiếp xúc với dòng khí của khí mang Argon có chứa Oxyt nitơ (NO) với dòng khí thổi qua cấu trúc vỏ giảm đi rõ rệt. Phần tử cảm biến có thể phát hiện ra dễ dàng những thay đổi nồng độ của NO nhỏ chỉ đến vài phần triệu, thời gian phản ứng lại và hồi phục của phần tử cảm biến cũng nhanh hơn nhiều so với các cảm biến tương đương được chế tạo từ các bánh silic xốp thường có các lỗ xốp phẳng.

Một bản sao silic của bộ khung tảo cát còn lại sau khi rửa sạch Oxyt magiê.

Nhóm Atlanta còn tìm thấy rằng vỏ tảo silic phát quang mạnh dưới tia sáng cực tím nếu trước đó nó được oxy hóa một phần do ngâm trong nước trong 40 ngày. Việc này đặt nền tảng cho các phần tử cảm biến khí khác vì sự phát quang từ tinh thể silic nano rỗng bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của một lượng rất nhỏ các khí: nó giảm đi khi găp mêtan, và tăng lên với carbon monoxide.

Nhóm làm việc gợi ý rằng vỏ tảo silic cũng có thể sử dụng trong pin. Diện tích bề mặt lớn, thành mỏng, và lỗ bề mặt dễ tiếp cận làm cho vỏ tảo silic 3 chiều có tốc độ truyền dẫn ion Liti cao và mật độ năng lượng đáng kể; biến nó thành vật liệu làm điện cực lý tưởng trong pin Liti, Sandhage nói.

Cuối cùng, vỏ tảo silic cũng có thể nâng cao hiệu quả của phương pháp sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC) trong viêc tách và tinh chế phân tử sinh học. “Những lỗ rỗng thông nhau và độ bền hóa học của chúng cho phép cột áp suất HPLC thấp hơn hay cao hơn để đạt thời gian tách nhanh nhất”, Sandhage nói.

Minh Giang

(Theo Lionel Milgrom, RSC)
hoahocvietnam.com

Từ túi nhựa tới tà vẹt đường sắt

Theo lời của Patrick Walter viết trong tạp chí "Chemistry & Industry" của SCI, tà vẹt đường sắt được làm từ chất dẻo phế liệu, kể cả những mảnh vụn của miếng chắn ôtô và thùng máy vi tính tái sinh, có thể sắp được tìm thấy trên các tuyến đường sắt tại vương quốc Anh.

Công ty Micron của Anh đã sản xuất tà vẹt từ phế liệu polystyrene và polyethylene. Họ đã tiếp cận với Network Rail, nhà điều hành các tuyến đường sắt Anh quốc cho việc thiết lập quan hệ đối tác. Polystyrene thường được dùng làm các tách cafe dùng một lần rồi bỏ, còn polyethylene thường có trong các màn treo và túi xách. Các thanh tà vẹt làm từ các vật dụng này nên sở hữu được độ bền có khả năng hàng thế kỷ. Điều nay so sánh với độ bền chỉ vài chục năm nếu làm từ gỗ hoặc bê tông.

Chất liệu gỗ và bê tông có những bất lợi. Tà vẹt làm từ bê tông nặng và dễ nứt vỡ, cũng như tà vẹt làm từ gỗ thì đòi hỏi phải được bảo trì và xử lý hóa chất để chống mục rữa. Những kiểm tra về các thông số kỹ thuật cho thấy tà vẹt làm từ chất dẻo cũng không thua kém làm từ bê tông. Vì thế, tà vẹt làm từ chất dẻo có đủ khả năng thay thế cho các vật liệu khác. Chi phí cho việc bảo trì đường sắt và hệ thống tàu điện ngầm do đó cũng giảm, giúp Network Rail đạt tới mục tiêu sử dụng 23% vật liệu tái sinh vào năm 2012. Tà vẹt mới đã được kiểm tra và ứng dụng tại bang India, nơi có dự án sản xuất của Micron.

Khánh Vân

(Theo Society of Chemical Industry)

hoahocvietnam.com

Một hợp kim mới có thể làm tăng nhiệt độ của động cơ

Những nhà khoa học về đo lường tại Phòng Thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh Quốc vừa làm giảm sự thiếu chính xác trong bộ phận cảm biến nhiệt điện ở các mức nhiệt cao. Điều này cho phép nhà máy sản xuất có thể cải thiện được hiệu suất, làm giảm sự lãng phí trong khi hoạt động của các loại động cơ và làm giảm sự toả nhiệt của tên lửa.

Ở động cơ tên lửa, khi nhiệt độ càng lên cao thì hiệu năng làm việc của nó cao hơn. Nhưng điều này yêu cầu động cơ nhiệt phải đạt đến hơn 1300 độ C. Nếu nhiệt độ chênh lệch quá nhiều so với nhiệt độ tiêu chuẩn, động cơ rất có thể sẽ không hoạt động.

Vật liệu của máy cảm biến được sử dụng sẽ chảy ra ở một nhiệt độ nóng chảy nào đó (nhiệt độ chuẩn - cố định), nhưng thực tế vật liệu chỉ cho phép một vùng nhiệt độ nào đó, bắt buộc động cơ nhiệt phải có vùng dao động nhiệt thấp hơn so với nhiệt độ chuẩn.

Sử dụng một loại hợp kim mới, các nhà khoa học của Phòng Thí Nghiệm Vật Lí đã phát hiện ra một vùng nhiệt độ chuẩn cho phép bộ phận cảm biến vượt qua ngưỡng 1100 độ C. Với sự đóng góp rất đáng tin tưởng này vào bộ phận cảm biến nhiệt độ, những nhà sản xuất được mong chờ để bắt đầu cải tiến động cơ làm nóng và giảm sự lãng phí trong suốt quá trình hoạt động của động cơ ở nhiệt độ cao.

Dương Lưu soạn dịch

Theo National Physical Laboratory UK

hoahocvietnam.com

Kính mát thông minh

Dành cho các hoạt động ngoài trời thì một cặp kính mát là rất cần thiết. Vậy sẽ như thế nào nếu bạn có thể thay đổi màu của kính mát bất cứ lúc nào bạn thích? Nếu hôm qua, cặp kính là màu xanh dương, hôm nay có thể đổi sang màu xanh lá cây và ngày mai bạn có thể đổi sang màu đỏ. Nếu quá chói mắt, bạn có thể thêm mực màu tối vào kính. Nếu không đủ sáng, mực nhuộm kính có thể được bớt lại hay thậm chí có thể được bỏ đi để cặp kính trở lại trong suốt. Không cần thiết trạng thái là như thế nào, nó không thú vị sao khi bạn có thể chọn màu sắc cho cặp kính của mình một cách nhanh chóng?

Giờ đây, với kết quả nghiên cứu của nhà hóa học về polymer Chunye Xu và đồng sự của cô tại đại học Washington, một mẫu kính mát đã chứng tỏ những chức năng thay đổi màu sắc và độ mờ trên. Nguyên mẫu đã được giới thiệu tại hội nghị của Hội Hóa Học Hoa Kỳ ở Chicago vào tháng 3 năm

Nguyên liệu vận hành được dùng trong nguyên mẫu là một polymer electrochromic tồn tại ở trạng thái trong suốt hoặc có màu tùy thuộc vào trạng thái oxy hóa khử của nó. Thiết kế của cặp kính mang đến thuận lợi cho việc điều khiển mức độ thay đổi màu tạo hiệu ứng sáng tối cho cặp kính. Màu kính hiện tại (xanh dương, đỏ, xanh lá cây) tùy thuộc vào polymer cụ thể được sử dụng và bây giờ cặp kính chỉ dùng một loại polymer (xanh dương) đang được nghiên cứu. Trong tương lai, nghiên cứu sẽ kết hợp nhiều loại polymer để tạo ra tùy chọn về việc thay đổi màu sắc, Xu phát biểu.

Mẫu kính của Xu có thể thay đổi từ không màu thành xanh dương đậm trong vài giây. Cấu tạo nhiều lớp bao gồm một lớp electrochromic polymer và một lớp vanadium oxide với một lớp gel electrolyte kẹp giữa hai lớp trên.

Lớp gel bên trong cho phép sự di chuyển thuận nghịch của các ion chuyển giữa lớp vanadium oxide và lớp electrochromic polymer. Một pin đồng hồ cung cấp điện năng cho hệ thống làm cho các ion chuyển theo một hướng và ngược lại. Dựa trên chiều của điện thế, các ion chuyển động tạo ra hoặc sự oxy hóa hoặc sự khử của electrochromic polymer. Bị oxy hóa, polymer trở thành trong suốt, còn khi bị khử, polymer chuyển sang màu xanh dương. Độ đậm nhạt của màu sắc có thể được điều khiển bằng cường độ điện thế được cung cấp.

Xu nhấn mạnh rằng mẫu kính của cô khác biệt đáng kể với những kính đổi màu có trên thị trường hiện nay. Một khác biệt rõ ràng là những cặp kình đổi màu chuyển đổi một cách thụ động dựa vào tia cực tím và không thể điều chỉnh bằng tay. "Những cặp kính của chúng tôi hoàn toàn chủ động, không bị động", Xu nói. "Chúng chủ động trong việc được điều khiển bởi người sử dụng".

Xu cũng cho rằng thời gian cần thiết để những electrochromic polymer chuyển đổi màu sắc là cực nhanh với chỉ khoảng 1 đến 2 giây. Những vật liệu vô cơ dùng trong kính mát hiện nay đổi màu chậm hơn rất nhiều.

Thuận lợi cuối cùng, theo Xu, là hệ thống electrochromic polymer đòi hỏi năng lượng chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn khi người dùng muốn đổi màu kính. Thêm vào đó, năng lượng cần đến rất thấp, do đó chỉ một cục pin đồng hồ có thể cung cấp năng lượng cho cả ngàn lần đổi màu của kính.

Trong khi chờ được cấp bằng sáng chế, nhóm đang hướng đến việc đưa ra thị trường công trình này trong một hay hai năm tới.

Uyên Chi soạn dịch

Theo ACS

hoahocvietnam.com

Những sự kiện đáng nhớ nhất trong lịch sử ngành vật liệu học

Ban biên tập tờ báo Hiệp hội Hóa vô cơ, kim loại và vật liệu học của Mỹ (một trong những tờ báo uy tín nhất về vật liệu học) đã ăn mừng một sự kiện quan trọng “Kỷ niệm 50 năm ngày thành lập“. Với sự giúp đỡ của bạn đọc cũng như các nhà báo đã đề cử ra 100 sự kiện và con người được xem là quan trọng nhất, có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của ngành vật liệu.

Bảng đề cử này đã được công bố trong số báo tháng 10/2006 và đưa lên mạng theo địa chỉ www.materialmoments.org, từ đó đến 5/1/2007 mọi người có thể bỏ phiếu cho sự kiện mà mình xem là quan trọng nhất. Từ top 10 sự kiện nổi bật nhất, hội đồng tổ chức sẽ chọn ra 1 sự kiện duy nhất được coi là quan trọng hàng đầu trong lịch sử phát triển của ngành khoa học vật liệu và sẽ công bố vào ngày 26/2/2007.

Hoá học Việt Nam xin trích lượt cùng bạn đọc top10 sự kiện được bình chọn nhiều nhất, trong đó sự kiện đầu tiên cũng chính là sự kiện tiêu biểu cho ngành vật liệu nói riêng và của ngành hóa học nói chung.

Năm 1864 nhà hoá học người Nga Dmitri Mendeleev đã xây dựng nên bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học. Là kim chỉ nam vô giá cho ngành vật liệu và các ngành khoa học khác.

Năm 3500 trước công nguyên người Ai cập đã nung luyện được sắt (dưới dạng sản phẩm phụ của việc tinh chế đồng) và sử dụng để làm đồ trang sức. Khám phá ra bí mật đầu tiên của nền văn minh đồ sắt.

Năm 1948 JohnBardeen, WalterH. Brattain, vàWilliamShockley đã phát minh ra thiết bị bán dẫn, là thành tựu vượt bậc của ngành điện tử, microchip và ngành công nghệ máy tính.

Năm 2200 trước công nguyên, người dân ở vùng tây bắc Iran đã chế tạo ra thuỷ tinh. Đây là vật liệu không phải kim loại thứ 2 (sau gốm sứ) của nền văn minh nhân loại.

Năm 1668, Anton van Leeuwenhoek đã phát triển việc dùng kính hiển vi có khả năng phóng đại lên 200 lần và lớn hơn nữa, mở ra kỷ nguyên nghiên cứu thế giới tự nhiên cũng như cấu trúc của nó mà mắt thường không nhìn thấy được.

Năm 1755 John Smeaton phát minh ra xi măng  là vật liệu xây dựng  trong thời hiện đại.

Năm 300 trước công nguyên các nhà luyện kim miền nam Ấn Độ nghĩ ra phương pháp luyện  thép trong lò luyện chôn trong lòng đất.

Năm 5000 trước công nguyên ở vùng Thổ Nhĩ Kì hiện nay, người ta đã phát hiện ra rằng đồng lỏng thu được khi nung đá malachite và lazurit, từ đó có thể đúc được các hình dạng khác nhau, từ đó khám phá ra các lớp của  vỏ trái đất cũng là “kho chứa” khoáng chất.

1912 Max von Laue phát hiện được sự tán xạ của tia ronghen (tia X) bởi các tinh thể, mở ra hướng mới trong nghiên cứu vật liệu.

1856 Henry Bessemer nhận bằng sáng chế cho quá trình thổi acid  sản xuất thép ít cacbon, mở ra một kỷ nguyên sản xuất thép rẻ số lượng lớn, pháp triển nhanh giao thông, xây dựng và ngành công nghiệp hoá nói chung.

Genabom

(Theo materialmoments.org)

hoahocvietnam.com

Vật liệu hợp kim cho ngành công nghiệp hóa chất

Các hợp kim đoạt giải R&D 100 có thể làm giảm giá thành cho công nghiệp hóa chất và dầu khí. Các nhà khoa học ở Phòng Thí Nghiệm thuộc Bộ Năng Lượng Quốc Gia Argonne ở Mỹ đã phát triển thành công các nguyên vật liệu có thể tiết kiệm một lượng lớn năng lượng và chi phí tiền bạc trong ngành công nghiệp hóa chất và dầu khí.

Các hợp kim mới – đoạt giải nghiên cứu và phát triển R&D 100 của tạp chí R&D là một trong 100 phát minh khoa học kỹ thuật hàng đầu trên thế giới trong năm 2005 – không gây ra bụi kim loại, phân hủy xảy ra ở nhiệt độ cao trong môi trường chứa hydrocarbon với mức độ hoạt hóa của carbon là rất cao.

Môi trường như thế thường thấy trong ngành công nghiệp hóa chất và dầu khí như trong cracking dầu mỏ sản xuất hydrogen-, methanol- và ammonia-, trong các nhà máy sản xuất khí gas tổng hợp. Các nguyên vật liệu bằng kim loại khi phân hủy tạo thành bụi và khi bị hư hỏng sẽ gây khó khăn cho công tác bão dưỡng thiết bị đối với các ngành công nghiệp hóa chất và dầu khí. Hiện nay, hầu hết các hợp kim thương mại lưu hành trên thị trường thường phân hủy vì bị ăn mòn do bụi kim loại.

So sánh hợp kim Argonne sau khi đặt trong môi trường chứa bụi kim loại trong 5.700 giờ ở 5930C (bên phải) và hợp kim thương mại (bên trái).

Ken Natesan, một nhà nghiên cứu thuộc Phòng Thí Nghiệm Argonne, đã nói:”Hơn 50 năm nghiên cứu không thể giải quyết vấn đề này. Chỉ có một giải pháp duy nhất hiện sử dụng là làm nguội khí gas nhiệt độ cao bằng cách hạ thấp nhiệt độ đang vận hành, kết quả là khiến thất thoát năng lượng và giảm sản lượng sản phẩm. Trong một cuộc nghiên cứu kéo dài mấy năm, Natesan và một nhà nghiên cứu khác cũng thuộc Argonne là Zuotao Zeng đã chứng minh tính chất lắng đọng carbon trong thiết bị dẫn đến việc khởi đầu và lan truyền bụi kim loại. Điều này được điều khiển ở cả áp suất khí quyển và áp suất cao và tương tự ngành khí đốt gas – bao gồm lượng khí nóng cao – thường thấy trong các môi trường sản xuất dùng phương pháp cracking dầu mỏ.

Do đó cần phát triển các hợp kim khi phân hủy không gây ra bụi kim loại và có thể dùng chế tạo thiết bị cho ngành công nghiệp hóa chất và dầu khí. Các hợp kim của Phòng Thí Nghiệm Argonne có ý nghĩa hơn các hợp kim thương mại hiện đang lưu hành trên thị trường khi kiểm tra trong môi trường chứa bụi kim loại, hợp kim Argonne phát triển các lớp oxide chống lại sự tấn công của carbon. Ví dụ, một hợp kim của Argonne sau khi đặt trong môi trường chứa bụi kim loại trong 5.700 giờ ở 5930C vẫn trơn nhẵn không lõm lỗ chỗ. Các hợp kim thương mại cũng được kiểm tra trong điều kiện môi trường tương tự đã xuất hiện lỗ chỗ các lõm lớn.

Trong tương lai, các hợp kim của Argonne có thể ứng dụng tái thiết kế những hệ thống sản xuất tiên tiến cho năng suất cao. Sử dụng các vật liệu này xây dựng thiết bị cho ngành công nghiệp hóa chất và dầu khí có thể tiết kiệm 500 tỉ Jun năng lượng mỗi ngày, tương đương 13 triệu m3 theo tiêu chuẩn khí thiên nhiên mỗi ngày.

Về mặt tài chính, cải tiến này có thể giúp tiết kiệm 500 triệu USD cho đến 1,3 tỉ USD 1 năm chỉ tính riêng trong ngành công nghiệp hydrogen và có thể giúp gia tăng hiệu suất công nghiệp bằng cách cải thiện công năng của thiết bị và bỏ đi một số công tác sữa chữa bảo trì. Tiết kiệm này sẽ ngày càng quan trọng hơn khi hydrogen được sử dụng nhiều hơn như một nguồn cung cấp năng lượng.

Trong khi các hợp kim Argonne được ứng dụng đầu tiên trong các nhà máy sản xuất hydrogen và khí gas tổng hợp, thì cũng có thể dùng trong các cấu tạo như thiết bị gia nhiệt thừa và các đường ống hơi đốt phụ tiếp xúc trong môi trường bụi kim loại trong các nhà máy cracking dầu mỏ tổng hợp methanol và ammonia. Các hợp kim Argonne cũng có thể sử dụng hiệu quả trong các nhà máy khí hóa lỏng mà trong đó khí gas thiên nhiên chuyển thành nhiên liệu lỏng.

Chương trình Kỹ thuật Công nghệ của Văn Phòng Hiệu ứng Năng lượng và Phục hồi Năng lượng thuộc Bộ Năng Lượng đã gây quỹ cho cuộc nghiên cứu này.

Quỳnh Thi (theo Argonne National Laboratory)

hoahocvietnam.com

Vật liệu nano với độ cứng kỷ lục

Liệu có thể có vật liệu nào có độ cứng tuyệt vời như kim cương?

Các nhà nghiên cứu vừa chế tạo thành công một vật liệu phi Carbon mớI có độ cứng ngang ngửa vớI kim cương. Natalia Dubrovinskaia (Đại học Tổng hợp Heidelberg, Đức) cùng vớI các đồng nghiệp ở Bayreuth (Đức), Paris và Grenoble (Pháp) đã tổng hợp thành công một loại vật liệu nanocomposite siêu cứng từ các Nitride Boron (BN) có độ cứng Vickers xung quanh 85 GPa. Tính chống đứt gãy và khả năng chống mài mòn cao đến bất ngờ của vật liệu cho thấy chúng có thể được sử dụng làm các chất mài mòn siêu hạng trong công nghiệp cũng như trong công nghiệp khai khoáng, khoan...

Được chế tạo thành công lần đầu tiên vào năm 1950, tinh thể lập phương Bo-Nitride đã được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau tương tự như kim cương. Vật liệu này có độ ổn nhiệt lên tới 1650 K so với chỉ có 950 K của kim cương. Hơn nữa, nó được sử dụng như một vật liệu siêu mài mòn cho việc gia công các thép cứng. Tuy nhiên, B-N không thể hoàn toàn thay thế kim cương do độ cứng chỉ bằng một nửa của kim cương (50 GPa so với 100 GPa của kim cương).

Mới đây, nhóm của Dubrovinskaia (ĐH Tổng hợp Heidelberg) đã lần đần tiên chế tạo ra B-N ổn định nhiệt động với độ cứng đạt được xấp xỉ của kim cương. Nhóm nghiên cứu thu được kết quả này bằng cách giảm kích thước hạt từ cỡ micromet xuống thang nanomet.

Ảnh một số thành viên của nhóm nghiên cứu: Leonid Dubrovinsky (BGI, University of Bayreuth), Natalia Dubrovinskaia (Mineral Physics and Structural Research, Mineralogical Institute, University of Heidelberg), and Nobuyoshi Miyajima (BGI, University of Bayreuth).

Nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Pháp và Đức đã sử dụng máy ép 5000 tấn ở Viện Bavarian (ĐH TH Bayreuth, Đức) để tổng hợp B-N tại điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Một loạt các vật liệu B-N với kích thước hạt khác nhau đã được chế tạo thành công, và cấu trúc nano được quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao. Nhóm cũng sử dụng các kỹ thuật khác nhau để phân tích cơ tính và cấu trúc của vật liệu trong đó có đo độ cứng Vickers. Tính tin cậy của kết quả càng cao hơn khi các phép đo đạc được tiến hành độc lập tại 2 phòng thí nghiệm ở Bayreuth và Paris.

Nhóm đã phát hiện ra rằng khi kích thước hạt của vật liệu giảm xuống tới cỡ 14 nm sẽ dẫn đến việc hình thành đồng thời 2 pha đông đặc với cấu trúc lục giác và cấu trúc lập phương. Tính chất tổ hợp này tạo ra vật liệu có độ cứng Vickers cực đại tới 85 GPa, cao hơn 2 lần so với của đơn tinh thể B-N. Và độ cứng này giảm dần khi kích thước hạt tăng (xem hình vẽ). Đồng thời, tính chịu lực (bẻ gãy) và tính chống mài mòn cũng được xác định là cao một cách bất thường (là 15 MPa.m1/2 và 11). Đặc tính này tốt hơn rất nhiều so với kim cương đa tinh thể (có giới hạn đứt gãy chỉ 5,3-7,0 MPa.m1/2 và độ chống mài mòn chỉ 3-4).

Sự phụ thuộc của độ cứng Vickers vào kích thước hạt.

Cũng theo kết quả mà nhóm công bố, đặc tính này có tính ổn định ở nhiệt độ cao tới trên 1600 K trong không khí, có nghĩa là nó là một vật liệu siêu mài mòn hiếm có. Vật liệu có thể được sử dụng trong các ứng dụng khoan thăm dò, khai khoáng, hay gia công các thép, các gốm siêu cứng. Hơn nữa, nó có thể là một hướng mở ra việc tìm ra nhiều vật liệu có tính cứng, tính dẻo dai và tính ổn định nhiệt khác – vẫn còn là một mục tiêu lớn cho khoa học vật liệu.

Các nhà nghiên cứu nói rằng độ cứng tăng lên là do 2 yếu tố: thứ nhất là do hiệu ứng kích thước nano, có tính chất hạn chế sự lan truyền của các sai lệch mạng trong vật liệu (làm cho vật liệu bị yếu đi); và hiệu ứng cầm tù lượng tử làm tăng độ cứng riêng của các hạt tinh thể.

Các kết quả này vừa được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 101912).

Plastic trở thành nhiên liệu trong tương lai

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang cố gắng biến rác thải thành nhiên liệu cho xe máy, thế nhưng nhà khoa học Richard Gross đã thực hiện một nghiên cứu khác: biến plastic thành nhiên liệu cho tương lai. Nghiên cứu có thể sử dụng các loại plastic thông thường dùng trong bao gói hàng hóa hoặc trong lĩnh vực khác, nhưng khi các loại plastic đó trở thành phế liệu, chúng có thể dễ dàng biến thành nhiên liệu thay thế dầu diesel.

Quy trình này vẫn chưa được ứng dụng vào thực tiễn, nhưng đã gây ấn tượng với hãng Pentagon nên hãng này đã chi 2,34 triệu USD để tiến hành nghiên cứu thêm. Kỹ thuật này có thể giảm lượng vật liệu mà quân đội phải chuyên chở cho các quân nhân ở những nơi xa xôi, do bởi 2 công dụng hữu ích của plastic vừa là bao gói hàng hóa và sau đó biến thành nhiên liệu. Theo Cơ quan đề án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến – Darpa, kỹ thuật này cũng góp phần làm giảm lượng rác thải.

Tiến sĩ Gross, giáo sư ngành Hóa học thuộc Đại Học Bách Khoa ở Brooklyn đang tiến hành chuyển dầu thực vật thành “plastic sinh học”, dầu thực vật này là loại nhiên liệu để sản xuất dầu diesel sinh học. Plastic dùng ở đây có thể ở dạng màng phim mềm hoặc cứng thường dùng trong bao gói thực phẩm. Sau đó ông dùng một loại enzyme thiên nhiên để phân hủy plastic thành nhiên liệu.

Ông nói: “Phản ứng diễn ra với các điều kiện rất ôn hòa không mãnh liệt, trong nước âm ấm”. Enzyme cutinase thường có trong thiên nhiên, do các ký sinh trùng tiết ra để tiêu hóa bề mặt sáng bóng của lá cây và hút chất dinh dưỡng trong lá.

Một công ty ghép gene tên DNA 2.0 đã trích lấy DNA từ ký sinh trùng đó và ghép vào vi khuẩn E. Coli nhằm sản xuất được nhiều enzyme cutinase. Người ta chọn vi khuẩn E. Coli vì khả năng sinh sôi phát triển dễ dàng hơn so với các ký sinh trùng khác.

Trước tiên là cắt plastic thành những mảnh nhỏ. Để làm điều này, tiến sĩ Gross nói rằng sẽ dùng máy cắt giấy văn phòng. Sau đó ngâm các mảnh plastic vào nước với một lượng nhỏ enzyme. Trong khoảng từ 3 đến 5 ngày thì kết thúc phản ứng với dầu diesel sinh học nổi lên trên bề mặt nước.

Để đáp ứng tiêu chuẩn của Cơ quan bảo vệ môi trường đối với loại nhiên liệu sử dụng cho xe chạy trên đường phố ở Mỹ, nhiên liệu sinh học cần phải qua nhiều quy trình chế biến hóa học nữa, nhưng Cơ quan Darpa tin rằng nhiên liệu tạo thành này có thể trực tiếp dùng ngay cho động cơ diesel để tạo ra điện năng.

Theo Cơ quan Darpa, một quân nhân trung bình có khoảng 7 pound phế liệu bao gói trong 1 ngày, và việc giải quyết lượng phế liệu này đơn giản đòi hỏi “nhiều nhân công, nhiên liệu và phương tiện chuyên chở cần thiết”. Kể cả việc tiêu tốn một lượng năng lượng để tái sản xuất plastic thì phế liệu rác thải này có thể cho nhiều nhiên liệu hơn để sản xuất điện năng cung cấp cho căn cứ quân sự.

Hãng Pentagon gọi kỹ thuật này là chương trình phục hồi năng lượng dễ dàng chuyển biến, hay như cô Miser. Jan Walker, người phát ngôn của Cơ quan Darpa, nói rằng trong phạm vi các kế hoạch mà Cơ quan tài trợ thì đây “không phải là một kỹ thuật công nghệ thực tế” mặc dù đang trong giai đoạn khởi đầu.

Theo Tiến sĩ Gross, một gallon dầu đậu nành sẽ sản xuất cho ra cùng một lượng dầu diesel tương tự cho dù dầu được chuyển đổi trực tiếp hoặc có qua một giai đoạn chế biến trung gian như plastic.

Ông nói rằng, vấn đề là việc tách các chất hóa học trong dầu gọi là acid béo từ dầu đậu nành hoặc từ nguồn cây trồng khác, và chế biến dầu để có được cấu trúc hóa học ở một đầu cuối phân tử giống như “cái móc”. Để rồi sau đó các phân tử dầu có thể liên kết với nhau tạo thành chuỗi dài, xây dựng thành các khối plastic. Thêm vào các liên kết chéo ở chuỗi phân tử, và plastic sẽ chuyển từ film mềm thành vật liệu rắn.

Chuyển dầu đậu nành thành thành acid béo cũng được thực hiện bởi enzyme. Men đã chuyển đổi gene thực hiện quá trình này. Jeremy Minshull, chủ tịch công ty DNA 2.0, nói rằng men được chọn vì quá trình chuyển đổi cần năng lượng, và men có thể cung cấp năng lượng khi tiêu hóa chất dinh dưỡng.

Sau đó vi khuẩn E. Coli với DNA của nấm Candida Antarctica sẽ chuyển acid béo hydroxy thành polymer, một loại vật liệu có thể gia nhiệt và tạo hình để sử dụng. Và sau khi plastic được sử dụng để bao gói chứa đựng hàng hóa thì có thể cắt thành mảnh nhỏ và phân hủy hóa học thành nhiên liệu diesel.

Ông Minshull nói rằng thách thức hiện nay liên quan đến enzyme chuyển plastic thành nhiên liệu lỏng, để chỉ cần dùng một lượng nhỏ enzyme mà thôi. Điều này khiến chi phí sản xuất giảm và giảm lượng enzyme còn sót sau quá trình chế biến rơi vào động cơ diesel.

Trong khi dầu diesel được sản xuất thương mại ở Mỹ, thì khả năng cạnh tranh với nhiên liệu diesel là không thể nếu không được chính phủ trợ cấp. Nhưng nếu giá dầu vẫn trên đà tăng cao, hay nếu chính phủ đánh thuế vào lượng khí thải carbon, thì việc sản xuất diesel sinh học từ  plastic sinh học có thể được chính phủ tài trợ. Sử dụng thực vật sản xuất plastic hay nhiên liệu sẽ loại trừ nhiều khí thải carbon vì vụ mùa trồng trọt thực vật cho năm tiếp theo sẽ hấp thu bớt carbon từ không khí.

Quỳnh Thi
(theo The New York Times)
hoahocvietnam.com