Các nhà nghiên cứu thuộc trường đại học Harvard đã phát triển một loại cao su mới giúp lốp xe có khả năng tự phục hồi khi gặp tình trạng hư hỏng.
Cao su có khả năng tự phục hồi nhờ kết nối các liên kết cộng hoá trị bền vững (màu đỏ) với các liên kết hydro thuận nghịch (màu xanh lá cây).
Các nhà nghiên cứu thuộc Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng (SEAS) John A. Paulson Đại học Harvard đã phát triển một loại cao su mới dẻo dai như cao su tự nhiên nhưng lại có khả năng tự phục hồi. Nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí khoa học Advanced Materials.
Các nhà nghiên cứu tại SEAS đã phát triển vật liệu hydrogel có thể tự phục hồi, nhờ nước để kết hợp các liên kết thuận nghịch có khả năng thúc đẩy quá trình “tự chữa lành”. Tuy nhiên, tính năng tự phục hồi ở những vật liệu khô như cao su là một thử thách không nhỏ cho các nhà nghiên cứu vì cao su được cấu tạo bởi các polyme kết nối với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị bền vững. Mặc dù các liên kết này cực kỳ mạnh nhưng chúng sẽ không bao giờ phục hồi trở lại một khi đã bị phá vỡ.
Để vượt qua thử thách này, các nhà nghiên cứu cần tạo ra liên kết thuận nghịch giữa các polyme sao cho các liên kết có thể bị phá vỡ nhưng sẽ tự kết nối lại.
Li-Heng Cai, một nghiên cứu sinh của SEAS cho biết: “Nghiên cứu trước đây đã sử dụng liên kết hydro để kết nối các polyme có trong cao su. Tuy nhiên, các liên kết thuận nghịch bản chất lại yếu hơn liên kết cộng hóa trị. Điều này đặt ra câu hỏi liệu chúng ta có thể tạo ra một cái gì đó bền nhưng vẫn có thể tự phục hồi được hay không?”
Ông Li-Heng Cai cùng với ông Jinrong Wu, giáo sư thỉnh giảng của trường Đại học Tứ Xuyên, Trung Quốc và tác giả chính, ông David A. Weitz, Giáo sư vật lý và vật lý học ứng dụng Mallinckrodt Đại học Harvard đã phát triển một loại cao su lai kết hợp cả liên kết cộng hóa trị và liên kết thuận ngịch.
Ý tưởng kết hợp cả hai liên kết này để tạo ra một loại cao su bền và có thể tự phục hồi đã được đề xuất dựa trên lý thuyết của ông Cai nhưng chưa bao giờ được thử nghiệm vì các liên kết cộng hóa trị và liên kết thuận nghịch khó kết hợp được với nhau.
Ông Cai cho biết: “Hai loại liên kết này bản chất không thể kết hợp được với nhau, giống như dầu và nước vậy”.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển một “sợi dây phân tử” để kết nối hai loại liên kết này lại với nhau. “Dây” này được gọi là các polyme phân nhánh ngẫu nhiên, cho phép liên kết cộng hóa trị và liên kết thuận nghịch trộn lẫn đồng nhất trên phạm vi một phân tử. Làm như vậy họ đã có thể tạo ra một loại cao su trong suốt, siêu bền và có khả năng tự phục hồi.
Cao su thông thường có xu hướng bị nứt tại một mức áp lực nhất định. Khi bị kéo căng ra, loại cao su mới tạo ra cái gọi là vết rạn trong vật liệu, tương tự như các vết nứt nhưng vẫn còn kết nối bằng sợi xơ. Những vết rạn này phân phối lại áp lực, do đó không có điểm nào chịu áp lực cục bộ gây ra sự phá vỡ liên kết. Khi áp lực được giải phóng, vật liệu quay trở lại hình dạng ban đầu của nó và những vết rạn cũng sẽ được phục hồi.
Văn phòng phát triển công nghệ của Đại học Harvard đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này và đang tích cực tìm kiếm các cơ hội để thương mại hóa.
Khả năng tự “chữa lành” rất có tiềm năng đối với nhiều sản phẩm cao su. Ông Wu chia sẻ: “Hãy tưởng tượng khi chúng ta sử dụng vật liệu này làm một trong những thành phần để chế tạo lốp cao su. Nếu lốp xe của bạn có một vết cắt qua thì nó không cần phải thay thế ngay lập tức. Thay vào đó nó sẽ tự phục hồi trong thời gian rất ngắn, giúp bạn có thể tránh được thiệt hại nghiêm trọng.”
“Về khoa học vật liệu, chúng tôi vẫn cần phải tìm hiểu thêm nguyên nhân tại sao loại cao su lai này lại có thể tạo ra các vết rạn khi được kéo căng. Về kỹ thuật, khả năng ứng dụng của loại cao su lai có các đặc tính ưu việt về độ trong suốt quang học, độ dẻo dai và khả năng tự phục hồi vẫn cần được khám phá. Hơn nữa, ý tưởng sử dụng cấu trúc phân tử để kết hợp liên kết cộng hóa trị và liên kết thuận nghịch nhằm tạo ra một chất đàn hồi lai tạo đồng nhất là khá chung chung và cần phải tạo điều kiện phát triển cho các polyme bền và có khả năng tự phục hồi trong ứng dụng thực tế”, ông Weitz cho biết.
Diễm Hằng
