Vật liệu “thông minh” thay đổi hình dạng theo nhiệt độ – Cuộc cách mạng trong khoa học vật liệu

Trong thế giới hiện đại, nơi công nghệ không ngừng phát triển, vật liệu mới chính là chìa khóa mở ra những đột phá.
Một trong những lĩnh vực đầy hứa hẹn chính là vật liệu thông minh thay đổi hình dạng theo nhiệt độ.
Đây không chỉ là một khái niệm khoa học mang tính lý thuyết mà đã và đang hiện diện trong nhiều ứng dụng thực tiễn –
từ y học, xây dựng cho tới hàng không vũ trụ. Nhưng điều gì khiến loại vật liệu này trở nên đặc biệt đến vậy?
Câu trả lời nằm ở khả năng thích ứng linh hoạt với môi trường, mở ra tương lai của những công trình “sống”,
thiết bị y tế tự điều chỉnh và hệ thống kỹ thuật bền vững hơn.

Vật liệu thông minh là gì?

Khái niệm vật liệu thông minh (smart materials) được dùng để chỉ các loại vật liệu có khả năng
tự động phản ứng và thay đổi đặc tính khi gặp tác động từ môi trường bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, điện trường,
từ trường hoặc áp suất. Khác với vật liệu truyền thống vốn có đặc tính cố định, vật liệu thông minh mang đến
sự linh hoạt và khả năng “tự điều chỉnh” giống như một sinh thể sống.

Những đặc điểm nổi bật của vật liệu thông minh bao gồm:

• Khả năng thay đổi hình dạng khi nhiệt độ thay đổi (shape memory effect).
• Khả năng thay đổi màu sắc dưới tác động của ánh sáng hoặc điện áp.
• Khả năng tự phục hồi khi có vết nứt nhỏ hoặc hư hỏng nhẹ.
• Phản ứng tức thì với các kích thích môi trường mà không cần sự can thiệp cơ học.

Trong đó, nhóm vật liệu được chú ý nhiều nhất chính là vật liệu thông minh thay đổi hình dạng theo nhiệt độ,
vốn đang được nghiên cứu sâu rộng để phục vụ các ngành công nghiệp mũi nhọn.

Cơ chế thay đổi hình dạng theo nhiệt độ

Hiện tượng thay đổi hình dạng của vật liệu khi gặp tác động nhiệt được gọi là
hiệu ứng nhớ hình (Shape Memory Effect). Bản chất của hiệu ứng này nằm ở sự chuyển đổi pha
trong cấu trúc tinh thể của vật liệu, thường giữa hai trạng thái: Austenite (ở nhiệt độ cao, ổn định)
và Martensite (ở nhiệt độ thấp, dễ biến dạng).

Hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloys – SMA)

Trong nhóm hợp kim, Nitinol (NiTi) là loại nổi bật nhất. Khi ở trạng thái martensite, hợp kim này có thể
dễ dàng bị uốn cong hoặc biến dạng. Tuy nhiên, khi được làm nóng lên đến một ngưỡng nhiệt độ xác định,
cấu trúc tinh thể chuyển sang pha austenite, giúp nó trở lại hình dạng ban đầu như “có trí nhớ”.

Hợp kim nhớ hình được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Y học: chế tạo stent mạch máu tự giãn nở trong cơ thể.
• Xây dựng: kết cấu chịu lực linh hoạt, chống động đất.
• Công nghệ: cảm biến nhiệt độ, thiết bị vi cơ điện tử.

Polymer nhớ hình (Shape Memory Polymers – SMP)

Bên cạnh hợp kim, polymer nhớ hình là một bước tiến mới nhờ chi phí thấp, khối lượng nhẹ và dễ chế tạo.
Các polymer này được “lập trình” để giữ một hình dạng cố định và có thể tạm thời bị biến đổi dưới tác động cơ học.
Khi gặp nhiệt độ kích hoạt, chúng tự động trở về hình dạng ban đầu.

Ưu điểm nổi bật của SMP so với SMA:

Nhờ những ưu điểm này, SMP đang mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi hơn, từ quần áo “tự điều chỉnh nhiệt độ” đến
vật liệu đóng gói có thể thay đổi hình dạng.

Lịch sử phát triển và nghiên cứu tiêu biểu

Hiện tượng nhớ hình lần đầu tiên được ghi nhận ở hợp kim vàng-cadimi vào đầu thế kỷ 20,
nhưng phải đến thập niên 1960, khi hợp kim NiTi được phát hiện tại Trung tâm nghiên cứu hải quân Hoa Kỳ,
SMA mới thực sự gây tiếng vang. Từ đó, hàng loạt nghiên cứu mở rộng ra nhiều vật liệu khác như đồng-kẽm-nhôm
và đặc biệt là polymer nhớ hình từ những năm 1990.

“Một trong những bước ngoặt quan trọng chính là việc ứng dụng NiTi trong chế tạo stent mạch máu. Ban đầu chỉ là thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhưng sau đó đã cứu sống hàng triệu bệnh nhân tim mạch trên toàn thế giới.” – Trích từ tạp chí Materials Today.

Câu chuyện thành công này minh chứng rõ ràng rằng nghiên cứu khoa học không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có
sức ảnh hưởng sâu rộng tới đời sống con người.

Ứng dụng của vật liệu thông minh trong đời sống

Vật liệu thông minh thay đổi hình dạng theo nhiệt độ đang được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực,
từ chăm sóc sức khỏe đến kỹ thuật và đời sống hàng ngày.

Y học – Từ stent tim đến chỉ khâu tự tiêu

Trong y học, SMA như NiTi được sử dụng để chế tạo stent động mạch – những ống lưới nhỏ tự động mở rộng khi
tiếp xúc với nhiệt độ cơ thể, giúp duy trì lưu thông máu. Ngoài ra, polymer nhớ hình còn được ứng dụng
trong chỉ khâu tự tiêu, giúp vết thương lành nhanh mà không cần phẫu thuật tháo bỏ.

Xây dựng – Cầu, tòa nhà chống động đất

Trong xây dựng, vật liệu nhớ hình được áp dụng để tạo ra các kết cấu chống rung lắc, đặc biệt là ở những
công trình cầu đường và tòa nhà cao tầng. Các thanh SMA khi bị biến dạng do động đất có thể tự phục hồi
về trạng thái ban đầu khi nhiệt độ tăng, giảm thiểu hư hại.