Vật liệu nhẹ nhất thế giới, nhẹ hơn cả không khí nay đã có thể in 3D

Thứ Hai, 21/03/2016, 17:28 GMT+7

Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới với trọng lượng nhẹ hơn gấp 7,5 lần so với không khí, 1 mét khối graphene aerogel cũng chỉ nặng chưa đầy 160 gram. Thậm chí, graphene aerogel nhẹ hơn loại vật liệu nhẹ thứ hai thế giới là aerographite tới 12%.

Có một câu hỏi rất hay đó là nếu nhẹ hơn không khí thì sao vật liệu này không thể bay? Đó là vì có nhiều khoảng trống giữa các phân tử của vật liệu này khiến cho không khí len lỏi vào được, giúp cho nó không bay lên.

 3D trong đời sống chúng ta

3D trong đời sống chúng ta

Có một biệt danh khá hài hước là "khói đóng băng", aerogel là một dạng chất rắn có thể uốn dẻo, dẫn điện, chịu được lực nén và khả năng thấm hút tốt.

Cũng chính vì đặc tính kỳ lạ của loại vật liệu này nên các nhà khoa học đã khám phá ra được rất nhiều những ứng dụng tiềm năng từ áo choàng tàng hình cho đến dọn dẹp môi trường. Chỉ với 1 gram aerogel đã đủ hấp thụ một số loại nguyên vật liệu có trọng lượng gấp tới 900 lần trọng lượng của chúng như dầu. Một phương pháp hoàn toàn rẻ hơn so với thị trường.

Hiện nay trong nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, silica aerogel là dạng hình thù phổ biến nhất được sử dụng để nghiên cứu aerogel. Điểm khó ở loại vật liệu này chính là việc không dễ dàng sản xuất. Tuy nhiên các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu và tìm ra thành công cách in 3D loại vật liệu nhẹ nhất thế giới này.

Mới đây, các nhà khoa học đến từ ĐH. bang New York và ĐH. bang Kansas, Mỹ cho biết đã có thể in 3D vật liệu aerogel lần đầu tiên. Toàn bộ quá trình đều được điều khiển tự động và đồng đều trên mọi lớp vật liệu.

 Nghiên cứu về 3D

Nghiên cứu về 3D

Bản thân aerogel là một lớp nguyên tử carbon tinh khiết, dày và có dạng hai chiều. Chúng xếp lại với nhau thành một mạng tổ ong hình lục giác. Để sản xuất graphene aerogel, các nhà nghiên cứu sẽ phải đóng băng lớp graphene và xếp chúng thành một cấu trúc 3 chiều.

Theo ScienceAlert nhận định, việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo thành công graphene aerogel lần đầu tiên cho thấy những nỗ lực đáng ghi nhận của các nhà nghiên cứu. Bởi lẽ cấu trúc phân tử của graphene aerogel vốn được nhận định rất khó để có thể in 3D.

Nhà nghiên cứu Akshat Rathi trong nhóm in 3D thành công graphene aerogel cho biết:

"Thông thường để in 3D graphene aerogel, vật liệu chính sẽ được trộn với các thành phần khác, ví dụ như polymer để có thể in phun trên máy in. Khi cấu trúc đã được định hình, polymer sẽ được tách riêng ra khỏi vật liệu chính sau một quá trình hóa học khác. Tuy vậy đối với trường hợp của aerogel, cách làm này có thể phá hủy cấu trúc tinh thể của aerogel".

Giải pháp được nhóm nghiên cứu đưa ra chính là graphene oxit - một dạng graphene kết hợp cùng phân tử oxy. Nhóm đã tiến hành pha trộn hợp chất này với nước và đặt trên một bề mặt được làm lạnh tới -25 độ C. Ở nhiệt độ này, các nhà nghiên cứu đã có thể ngay lập tức đóng băng từng lớp graphene riêng biệt và tạo nên cấu trúc graphene ba chiều.

Rathi cũng cho biết thêm, sau khi quá trình tạo cấu trúc 3D hoàn tất, họ sẽ tiến hành tách bỏ các khối băng bủa vây xung quanh bằng cách sử dụng nitơ lỏng để đông khô nước và tách ra khỏi bề mặt vật thể mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc.

Lớp vật liệu aerogel với cấu trúc 3D sẽ tiếp tục được tác dụng với nhiệt nhằm tách nguyên tử oxy. Kết quả thu lại sẽ chỉ còn graphene aerogel. Theo Rathi khẳng định: "chất rắn thu được sẽ có mật độ thay đổi khác nhau từ 0,5 kg/m3 cho tới 10kg/m3. Graphene aerogel nhẹ nhất từng được sản xuất thành công có trọng lượng khoảng 0,16 kg/m3".

Hiện tại nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tìm hiểu cách thức sản xuất các dạng aerogel khác như silica aerogel sử dụng trên cùng một máy in. Được biết, nghiên cứu trên đã được xuất bản trên tạp chí Small mới đây.

Như vậy với tiến bộ mới nhất trong kỹ thuật sản xuất vật liệu này, chúng ta sẽ sớm thấy được sự xuất hiện của những sản phẩm siêu nhẹ nhưng "đa zi lăng" này trong mọi mặt của cuộc sống.

Công nghệ in 3D sẽ thế nào trong tương lai?

Hệ thống in chất lỏng CLIP

Hệ thống CLIP, viết tắt của Continuous Liquid Interface Production (tạm dịch là Tạo hình liên tục từ chất lỏng), hoạt động nhanh hơn gấp 10 lần so với công nghệ in Stereolithography (SLA, tạm dịch là Tạo hình nhờ tia laser) chính là nhờ lớp oxy siêu mỏng ngăn cách đáy khay đựng và lớp nhựa vật liệu.

Vấn đề nằm ở chỗ, cũng như SLA, CLIP chỉ có thể in từng bộ phận từ một loại vật liệu cụ thể trong 1 khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên, DeSimone cho rằng CLIP sẽ có thể xử lý nhiều loại vật liệu hơn nữa (đơn cử như hydrogel, nhựa sinh học dễ hấp thu, silicon,…) Rất có thể trong tương lai, tốc độ của CLIP sẽ giúp nó trở thành một cỗ máy sản xuất hàng loạt cùng thời gian xử lý siêu khủng.

Cỗ máy bí ẩn của HP

Cuối năm 2013, Hewlett Packard tuyên bố sẽ gia nhập thị trường in 3D và hứa hẹn sẽ làm thay đổi toàn bộ nhận thức của nhân loại về công nghệ này. 18 tháng trôi qua, máy in Multi Jet Fusion của HP vẫn nằm trong giai đoạn thử nghiệm, mặc cho những quảng cáo rầm rộ trước đó về loại hóa chất bí ẩn được sử dụng trong quá trình in.

HP hy vọng đưa Multi Jet gia nhập thị trường vào năm 2016. Nếu HP có thể nâng tầm máy in Multi Jet Fusion, rất có thể nó sẽ trở thành giải pháp cứu cánh cho ngành xây dựng trong tương lai.

Hệ thống in 3D siêu tốc HSFG (High Speed Fab Grade Printing)

 Hệ thống in 3D siêu tốc HSFG (High Speed Fab Grade Printing)

Hệ thống in 3D siêu tốc HSFG (High Speed Fab Grade Printing)

Nhìn bên ngoài, hệ thống in 3D HSFG trông tựa như một dây chuyền lắp ráp. Một máy in HSFG có thể chấm 4 tỷ các hạt màu polymer mỗi phút, nhanh hơn gấp 50 lần so với công nghệ in phun hiện tại.

Bên cạnh tốc độ và độ chính xác tuyệt đối, HSFG có thể tận dụng bất kỳ tấm in nào trong hệ thống vào bất cứ lúc nào. Với khả năng đó, HSFG có thể hoạt động độc lập hoặc có thể được gắn vào một quy trình sản xuất đang hoạt động để hoàn thiện nốt các sản phẩm dở dang.

Cho đến thời điểm hiện tại, hệ thống in này cũng vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Hiện vẫn chưa có một thông tin cụ thể nào về hệ thống cũng như các thành phẩm nhưng dường như Google rất hứng thú với dự án này.

Tại Hội nghị người tiêu dùng máy in 3D vừa qua, Hopkinson đã phát biểu về sự thay thế tia laser trong công nghệ thiêu kết truyền thống bằng nguồn nhiệt hồng ngoại và bút in phun nhằm tạo ra máy thiêu kết mới có tốc độ cao hơn.

Đồng thời, Hopkinson và các cộng sự cũng đang làm việc cật lực để xây dựng một bản in lớn hơn, cho phép sản xuất đến hàng trăm sản phẩm cùng lúc. Bên cạnh đó, Hopkinson tiến hành nghiên cứu để máy in mới có thể xử lý các nguyên liệu bao gồm gốm và mực dẫn điện – điều này sẽ cho phép nó gắn điện tử trực tiếp vào một bộ phận cụ thể của thành phẩm.

Chắc chắn ông và các cộng sự sẽ còn phải trải qua rất nhiều khó khăn nữa để biến ước mơ trở thành sự thật. Và nếu theo kịp tiến độ như kế hoạch đặt ra, máy thiêu kết tốc độ cao có thể sẽ được trình làng vào năm 2017.

Tương lai rộng mở

Trong vòng 24 tháng qua, nhận thức của toàn thế giới về công nghệ in 3D đã thay đổi. Cùng với đó là sự xuất hiện của dòng in ấn tốc độ cao mới.

Liệu các công nghệ in mới này có thay thế được việc sản xuất truyền thống hay không? Điều này chắc chắn sẽ không xảy ra trong tương lai gần. Nhưng trong vòng 10 năm tới, công nghệ in 3D có thể sẽ dần cạnh tranh với kỹ thuật đúc phun ép, sản xuất vi mạch và các công nghệ sản xuất khác.

Tuy nhiên thì công nghệ in 3D vẫn chưa phải là tiên phong của ngành sản xuất trong tương lai. Công nghệ in ấn 4D đang dần nổi lên, kĩ thuật in xerô ứng dụng trong vi lắp ráp và in ấn sinh học đã bắt đầu lan tỏa khắp các phòng thí nghiệm trên toàn cầu. Một cánh cửa mới đã bắt đầu mở ra cho ngành sản xuất trong tương lai.

Xem thêm: In nhanh | In nhanh In Kỹ Thuật Số Lê Quang Định

Tags: in 3D, vật phẩm 3D, công nghệ in 3D, in 3D chất lượng, in 3D nhanh, in 3D giá rẻ, in 3D giá tốt
InAnMoiChatLieu.com / In tranh trang trí mọi chất liệu
Tags: in 3D, vật phẩm 3D, công nghệ in 3D, in 3D chất lượng, in 3D nhanh, in 3D giá rẻ, in 3D giá tốt
InAnMoiChatLieu.com / In tranh trang trí mọi chất liệu