0:00

4:33

What is metallic glass? - Ashwini Bharathula

TED-Ed·4:33·Technology·B2

Chương · 5

Chương 1·The Quest for Ideal Materials

Hiển thị

Tiếng ViệtAuto-scroll

0:07

Steel and plastic.

Thép và nhựa.

0:09

These two materials are essential to so much of our infrastructure and technology, and they have a complementary set of strengths and weaknesses.

Hai loại vật liệu này đóng vai trò thiết yếu đối với phần lớn cơ sở hạ tầng và công nghệ của chúng ta, đồng thời sở hữu những ưu và nhược điểm bù trừ cho nhau.

0:17

Steel is strong and hard, but difficult to shape intricately.

Thép tuy bền và cứng nhưng lại rất khó để tạo hình tinh xảo.

0:21

While plastic can take on just about any form, it's weak and soft.

Trong khi nhựa có thể mang hầu như bất kỳ hình dạng nào, thì nó lại yếu và mềm.

0:26

So wouldn't it be nice if there were one material as strong as the strongest steel and as shapeable as plastic?

Vậy sẽ tuyệt vời biết bao nếu có một loại vật liệu vừa bền chắc như loại thép cứng nhất, lại vừa dễ tạo hình như nhựa?

0:34

Well, a lot of scientists and technologists are getting excited about a relatively recent invention called metallic glass with both of those properties, and more.

Hiện nay, rất nhiều nhà khoa học và chuyên gia công nghệ đang vô cùng hào hứng với một phát minh tương đối gần đây mang tên thủy tinh kim loại, sở hữu cả hai đặc tính kể trên cùng nhiều ưu điểm khác.

0:44

Metallic glasses look shiny and opaque, like metals, and also like metals, they conduct heat and electricity.

Thủy tinh kim loại có vẻ ngoài sáng bóng và đục mờ như kim loại, và cũng giống kim loại, chúng có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện.

0:51

But they're way stronger than most metals, which means they can withstand a lot of force without getting bent or dented, making ultrasharp scalpels, and ultrastrong electronics cases, hinges, screws; the list goes on.

Thế nhưng chúng bền hơn hầu hết các kim loại rất nhiều, đồng nghĩa với việc có thể chịu được lực tác động lớn mà không bị cong hay móp méo, giúp chế tạo dao mổ siêu sắc, vỏ thiết bị điện tử siêu bền, bản lề, ốc vít; và danh sách ứng dụng vẫn còn nối dài.

1:06

Metallic glasses also have an incredible ability to store and release elastic energy, which makes them perfect for sports equipment, like tennis racquets, golf clubs, and skis.

Thủy tinh kim loại còn sở hữu khả năng tích trữ và giải phóng thế năng đàn hồi đáng kinh ngạc, khiến chúng trở nên hoàn hảo cho các dụng cụ thể thao như vợt tennis, gậy đánh golf và ván trượt tuyết.

1:17

They're resistant to corrosion, and can be cast into complex shapes with mirror-like surfaces in a single molding step.

Chúng có khả năng chống ăn mòn và có thể được đúc thành các hình dạng phức tạp với bề mặt nhẵn bóng như gương chỉ trong một bước đúc duy nhất.

1:25

Despite their strength at room temperature, if you go up a few hundred degrees Celsius, they soften significantly, and can be deformed into any shape you like.

Dù rất bền chắc ở nhiệt độ phòng, nhưng nếu nâng nhiệt độ lên vài trăm độ C, chúng sẽ mềm đi đáng kể và có thể biến dạng thành bất kỳ hình dáng nào bạn muốn.

1:34

Cool them back down, and they regain the strength.

Khi làm nguội trở lại, chúng sẽ phục hồi lại độ bền ban đầu.

1:38

So where do all of these wondrous attributes come from?

Vậy tất cả những đặc tính kỳ diệu này bắt nguồn từ đâu?

1:41

In essence, they have to do with metallic glass' unique atomic structure.

Về bản chất, chúng liên quan mật thiết đến cấu trúc nguyên tử độc nhất vô nhị của thủy tinh kim loại.

1:46

Most metals are crystalline as solids.

Phần lớn kim loại ở trạng thái rắn đều có cấu trúc tinh thể.

1:48

That means that if you zoomed in close enough to see the individual atoms, they'd be neatly lined up in an orderly, repeating pattern that extends throughout the whole material.

Điều đó có nghĩa là nếu phóng to đủ gần để quan sát từng nguyên tử đơn lẻ, bạn sẽ thấy chúng xếp thẳng hàng ngay ngắn theo một mô hình tuần hoàn, có trật tự trải dài khắp toàn bộ vật liệu.

1:59

Ice is crystalline, and so are diamonds, and salt.

Băng đá có cấu trúc tinh thể, kim cương và muối ăn cũng vậy.

2:02

If you heat these materials up enough and melt them, the atoms can jiggle freely and move randomly, but when you cool them back down, the atoms reorganize themselves, reestablishing the crystal.

Nếu đun nóng những vật liệu này đến mức nóng chảy, các nguyên tử có thể dao động tự do và chuyển động ngẫu nhiên, nhưng khi làm nguội trở lại, các nguyên tử sẽ tự sắp xếp lại để tái lập mạng tinh thể.

2:14

But what if you could cool a molten metal so fast that the atoms couldn't find their places again, so that the material was solid, but with the chaotic, amorphous internal structure of a liquid?

Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu ta có thể làm nguội một kim loại nóng chảy nhanh đến mức các nguyên tử không kịp tìm về vị trí cũ, khiến vật liệu ở thể rắn nhưng lại mang cấu trúc bên trong hỗn loạn, vô định hình của chất lỏng?

2:26

That's metallic glass.

Đó chính là thủy tinh kim loại.

2:28

This structure has the added benefit of lacking the grain boundaries that most metals have.

Cấu trúc này còn có thêm một ưu điểm là không tồn tại các ranh giới hạt như ở hầu hết các kim loại.

2:33

Those are weak spots where the material is more susceptible to scratches or corrosion.

Đó vốn là những điểm yếu khiến vật liệu dễ bị trầy xước hoặc ăn mòn hơn.

2:39

The first metallic glass was made in 1960 from gold and silicon.

Thủy tinh kim loại đầu tiên được chế tạo vào năm 1960 từ vàng và silic.

2:43

It wasn't easy to make.

Quá trình chế tạo không hề dễ dàng.

2:45

Because metal atoms crystallize so rapidly, scientists had to cool the alloy down incredibly fast, a million degrees Kelvin per second, by shooting tiny droplets at cold copper plates, or spinning ultrathin ribbons.

Bởi vì các nguyên tử kim loại kết tinh quá nhanh, các nhà khoa học đã phải làm nguội hợp kim với tốc độ nhanh đến khó tin—một triệu độ Kelvin mỗi giây—bằng cách bắn những giọt nhỏ li ti vào các tấm đồng lạnh, hoặc kéo thành những dải ruy băng siêu mỏng.

3:00

At that time, metallic glasses could only be tens or hundreds of microns thick, which was too thin for most practical applications.

Vào thời điểm đó, thủy tinh kim loại chỉ có thể dày từ hàng chục đến hàng trăm micron, quá mỏng cho phần lớn các ứng dụng thực tế.

3:09

But since then, scientists have figured out that if you blend several metals that mix with each other freely, but can't easily crystallize together, usually because they have very different atomic sizes, the mixture crystallizes much more slowly.

Thế nhưng kể từ đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nếu trộn nhiều kim loại có thể hòa lẫn tự do nhưng không dễ kết tinh cùng nhau—thường là do kích thước nguyên tử chênh lệch nhau rất lớn—thì hỗn hợp sẽ kết tinh chậm hơn rất nhiều.

3:23

That means you don't have to cool it down as fast, so the material can be thicker, centimeters instead of micrometers.

Điều đó đồng nghĩa với việc không cần phải làm nguội quá nhanh, nhờ vậy vật liệu có thể dày hơn, đạt cỡ centimet thay vì micromet.

3:30

These materials are called bulk metallic glasses, or BMGs.

Những vật liệu này được gọi là thủy tinh kim loại khối, hay BMG.

3:34

Now there are hundreds of different BMGs, so why aren't all of our bridges and cars made out of them?

Hiện đã có hàng trăm loại BMG khác nhau, vậy tại sao cầu cống và xe hơi của chúng ta không được làm bằng vật liệu này?

3:40

Many of the BMGs currently available are made from expensive metals, like palladium and zirconium, and they have to be really pure because any impurities can cause crystallization.

Nhiều loại BMG hiện nay được chế tạo từ các kim loại đắt tiền như paladi và zirconi, đồng thời chúng phải đạt độ tinh khiết rất cao vì bất kỳ tạp chất nào cũng có thể kích hoạt quá trình kết tinh.

3:51

So a BMG skyscraper or space shuttle would be astronomically expensive.

Do đó, một tòa nhà chọc trời hay một tàu con thoi làm từ BMG sẽ có chi phí đắt đỏ đến mức thiên văn.

3:56

And despite their strength, they're not yet tough enough for load-bearing applications.

Và dù sở hữu độ bền cao, chúng vẫn chưa đủ độ dai để chịu tải trong các ứng dụng chịu lực lớn.

4:02

When the stresses get high, they can fracture without warning, which isn't ideal for, say, a bridge.

Khi ứng suất tăng cao, chúng có thể nứt vỡ mà không có dấu hiệu cảnh báo trước, điều không hề lý tưởng cho những công trình như cầu đường.

4:08

But when engineers figure out how to make BMGs from cheaper metals, and how to make them even tougher, for these super materials, the sky's the limit.

Thế nhưng khi các kỹ sư tìm ra cách sản xuất BMG từ các kim loại rẻ hơn và giúp chúng dẻo dai hơn nữa, tiềm năng của những siêu vật liệu này sẽ là vô hạn.

Transcript

Hiển thị

The Quest for Ideal Materials

Ashwini Bharathula introduces steel and plastic as foundational modern materials defined by complementary trade-offs between strength and moldability. Materials science seeks a unified alternative combining the resilience of steel with the formability of plastics, culminating in the creation of metallic glass.

Ashwini Bharathula giới thiệu thép và nhựa như hai vật liệu nền tảng hiện đại với các ưu nhược điểm bù trừ lẫn nhau giữa độ bền và tính dễ tạo hình. Khoa học vật liệu tìm kiếm một giải pháp dung hòa kết hợp độ cứng cáp của thép với tính uốn dẻo của nhựa, dẫn đến sự ra đời của thủy tinh kim loại.