Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đang đẩy công nghệ lưu trữ năng lượng lên một tầm cao mới. Họ đã phát triển một lớp vật liệu metamaterial cơ học mới – những cấu trúc được thiết kế nhân tạo, có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi hiệu quả hơn bao giờ hết.
Phát minh này có thể dẫn đến những tiến bộ lớn trong lĩnh vực robot tiết kiệm năng lượng, các hệ thống cơ học, và các cấu trúc linh hoạt, tối đa hóa việc sử dụng năng lượng mà vẫn giữ được sức mạnh và độ bền.
Những vật liệu này sử dụng cấu trúc độc đáo của các thanh xoắn, có khả năng biến dạng theo hình xoắn ốc, cho phép chúng hấp thụ và giải phóng một lượng lớn năng lượng đàn hồi.
Bằng cách tận dụng thiết kế mới này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu kết hợp giữa độ cứng cao, sức mạnh lớn và độ linh hoạt xuất sắc.
Vật liệu metamaterial cơ học là gì?
Metamaterial là loại vật liệu được thiết kế đặc biệt, có những tính chất mà vật liệu tự nhiên không có. Những vật liệu này được tạo ra bằng cách sắp xếp các yếu tố cấu trúc nhỏ một cách chính xác, giúp chúng có các đặc tính cơ học vượt trội.
Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã phát triển một loại metamaterial cơ học từ các thanh xoắn chặt và được sắp xếp theo một mô hình nhất định. Thông thường, khi một chiếc lò xo bị cong, lực căng sẽ dồn vào các bề mặt trên và dưới của nó, điều này có thể gây ra gãy hoặc biến dạng vĩnh viễn.
Tuy nhiên, thay vì uốn cong, việc xoắn các thanh lại giúp phân tán lực căng đều hơn trên toàn bộ bề mặt, nhờ đó vật liệu có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn mà không bị hư hỏng.
Giáo sư Peter Gumbsch, chuyên gia cơ học vật liệu tại Viện Vật liệu Ứng dụng KIT (IAM), cho biết: "Điều khó khăn là làm sao để kết hợp được các tính chất trái ngược: độ cứng cao, độ bền lớn và khả năng phục hồi tốt."
Bằng cách sắp xếp các thanh xoắn này thành một cấu trúc mạng lưới cụ thể, các nhà khoa học đã tạo ra một vật liệu có khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội hơn so với các vật liệu truyền thống, nhưng vẫn giữ được độ bền và độ cứng.
Thiết kế vật liệu với độ đàn hồi tối đa
Gumbsch và nhóm nghiên cứu của ông, cùng với các nhà khoa học từ Trung Quốc và Mỹ, đã thành công trong việc biến ý tưởng này thành một vật liệu metamaterial chức năng.
“Ban đầu, chúng tôi phát hiện ra một cơ chế giúp lưu trữ một lượng năng lượng lớn trong một thanh tròn đơn giản mà không làm gãy hoặc biến dạng nó vĩnh viễn,” Gumbsch cho biết.
“Bằng cách sắp xếp các thanh một cách thông minh, chúng tôi đã tích hợp cơ chế này vào một metamaterial.”
Khi các thanh được căn chỉnh chính xác, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu có khả năng kéo dài hoặc nén mà vẫn có thể trở lại hình dạng ban đầu.
Các mô phỏng máy tính cho thấy vật liệu metamaterial này có độ cứng cao và có thể chịu được lực lớn.
Các thử nghiệm thực tế của họ đã xác nhận rằng khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu này, hay còn gọi là enthalpy, cao gấp từ 2 đến 160 lần so với các vật liệu metamaterial khác.
Ứng dụng tương lai trong robot và lưu trữ năng lượng
Các ứng dụng tiềm năng của loại vật liệu mới này là rất rộng lớn. “Vật liệu metamaterial mới của chúng tôi với khả năng lưu trữ năng lượng đàn hồi cao có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong tương lai, nơi yêu cầu cả việc lưu trữ năng lượng hiệu quả và các tính chất cơ học xuất sắc,” Gumbsch nói. Thêm vào đó, các máy móc tiết kiệm năng lượng có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả hơn, cải thiện hiệu suất tổng thể.
Một khả năng khác là sử dụng cơ chế xoắn trong các vật liệu metamaterial để tạo ra các khớp đàn hồi hoàn toàn, loại bỏ sự cần thiết của các bản lề truyền thống và cải thiện chuyển động trong các chi robot và bộ xương ngoài.
Với những tiến bộ này, các vật liệu metamaterial cơ học có thể mở đường cho công nghệ mạnh mẽ, hiệu quả và bền lâu hơn.
Aamir Khollam là nhà báo công nghệ tại Interesting Engineering (IE). Bài viết được đăng trên IE vào ngày 01/04/2025.
Interesting Engineering là trang tin tức công nghệ và khoa học, chuyên cập nhật những phát minh và tiến bộ kỹ thuật mới nhất trên thế giới. Ra mắt năm 2011, nền tảng này cung cấp nội dung hấp dẫn về AI, năng lượng tái tạo, hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực đột phá khác.
Biên dịch: Thu Hoài
