Phát minh hợp kim "nhỏ hơn tóc người trăm lần" có thể chao đảo cả thế giới

Trong phòng thí nghiệm tại Đại học Miami (Mỹ), kỹ sư cơ khí Giacomo Po đang đẩy mạnh giới hạn của khoa học vật liệu.

Sử dụng chùm ion hội tụ, ông tạo hình một hợp kim entropy cao (HEAs) thành một cấu trúc nhỏ hơn sợi tóc người hàng trăm lần. Dưới kính hiển vi điện tử quét mạnh, ông nghiên cứu cách nó phản ứng với ứng suất và nhiệt.

So sánh vật liệu siêu bền với sợi tóc người.

“Chúng tôi quan tâm đến cách hợp kim HEAs phản ứng dưới áp suất và nhiệt độ cực cao”, Tiến sĩ Giacomo Po giải thích.

Mục tiêu của công trình nghiên cứu chính xác ở quy mô nano này vượt xa phạm vi phòng thí nghiệm: Chế tạo vật liệu siêu bền, có thể chịu được sức nóng tương đương Mặt Trời. Từ đó, xây dựng nên lò phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch).

“Năng lượng nhiệt hạch thực sự có thể thay đổi thế giới. Nguồn năng lượng sạch và vô hạn này chính là chén thánh, là giấc mơ mà các nhà khoa học đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ”, Tiến sĩ Po cho biết.

Phản ứng nhiệt hạch kết hợp hai hạt nhân nguyên tử nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng sạch khổng lồ.

“Hãy tưởng tượng một lưới điện được cung cấp năng lượng bởi một nguồn năng lượng ổn định, chi phí thấp và dồi dào, không phụ thuộc vào việc đốt nhiên liệu hóa thạch hay sự bất ổn của năng lượng gió hay mặt trời. Đó chính là lời hứa của năng lượng nhiệt hạch” - ông Giacomo Po nói.

Vật liệu siêu bền HEAs, bệ phóng cho giấc mơ của nhân loại?

Để chế tạo lò phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), các nhà khoa học phải thiết kế vật liệu có thể chịu được nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ. Bên trong các lò phản ứng này, kim loại phải chịu bức xạ liên tục, áp suất cực lớn và nhiệt độ cực cao.

Vonfram, nổi tiếng với độ bền và điểm nóng chảy cao, hiện đang là ứng cử viên hàng đầu. Tuy nhiên, ngay cả vonfram cũng có giới hạn trong những điều kiện khắc nghiệt này. Đó là lý do các nhà nghiên cứu Mỹ tìm đến loại vật liệu mới gọi là hợp kim entropy cao để thay thế.

Chỉ còn 1 bước nữa là hợp kim entropy cao này có thể mang đi chế tạo lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, góp phần "thay đổi thế giới" trong hành trình đạt được nguồn năng lượng sạch vô tận.

Chỉ một bước nữa, các nhà khoa học có thể xác định hợp kim này có khả năng tồn tại bên trong lò phản ứng ở nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ hay không.

Đại học Miami giải thích, những hợp kim HEAs này, được hình thành bằng cách kết hợp năm hoặc nhiều nguyên tố với hàm lượng gần bằng nhau. HEAs thường có độ bền, độ cứng, khả năng chống mài mòn, độ ổn định nhiệt và khả năng chống ăn mòn cao.

Tuy nhiên, hành vi của chúng dưới tác động của bức xạ - được gọi là "độ lan truyền bức xạ" - vẫn chưa rõ ràng. "Chúng ta cần biết HEAs có thể tồn tại trong lò phản ứng tổng hợp bao lâu trước khi trở nên giòn" - các chuyên gia tại Đại học Miami (Mỹ) cho biết.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Chương trình CAREER của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ.

Hiện, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Hàn Quốc và Liên minh Châu Âu đều đang chạy đua hướng tới cùng một mục tiêu, với hơn 10 tỷ USD đầu tư tư nhân đổ vào các công ty khởi nghiệp về năng lượng nhiệt hạch trong vài năm qua.

Các quốc gia này đang chung tay phát triển Lò hạt nhân nhiệt hạch quốc tế, còn gọi là dự án ITER. Những cột mốc gần đây mà các quốc gia đạt được đã đưa giấc mơ "năng lượng nhiệt hạch" đó đến gần hơn.

Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở California, Mỹ, các nhà khoa học lần đầu tiên đạt được mức tăng năng lượng ròng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Tại Anh, lò phản ứng Joint European Torus đã duy trì 69 megajoule năng lượng tổng hợp trong 5 giây, chỉ sử dụng 0,2 miligam nhiên liệu trước khi đóng cửa vào năm 2023.

Các nhà khoa học lưu ý, phản ứng nhiệt hạch khác với phản ứng phân hạch - vốn phân tách các nguyên tử và tạo ra chất thải phóng xạ.