TẠI SAO GỌI LÀ VẬT LIỆU CÔNG NĂNG BẬC THANG?
Bạn đã từng nghe nói tới cụm từ: “vật liệu công năng bậc thang” chưa? Nó được các nhà khoa học Nhật Bản đưa ra lần đầu tiên vào năm 1984 và điều thú vị là ''vật liệu công năng bậc thang” đã tồn tại trong tự nhiên từ rất sớm. Ví dụ như vỏ sò, răng, trúc, đã quen thuộc với chúng ta, đều là vật liệu công năng bậc thang mà giới tự nhiên đã tạo ra, kết cấu tổ chức bên trong của chúng thể hiện sự biến đổi liên tục, tính chất và chức năng tương ứng cũng thể hiện sự thay đổi liên tục theo bậc thang.
Vật liệu công năng bậc thang thuộc loại vật liệu tổng hợp nhưng nó lại không giống như loại vật liệu tổng hợp truyền thống, lại càng không giống như loại vật liệu bình quân truyền thống như kim loại đơn hay kim loại kép. Một mảnh kim loại đồng nguyên chất hay một mảnh kim loại hợp kim đồng kẽm, tổ hợp của từng bộ phận và tính chất vật lý, hóa học tương đương là như nhau, nhưng các vật liệu tổng hợp truyền thống như bê tông cốt thép, gang thủy tinh lại có tính đặc biệt về mặt tổ chức và kết cấu, tức là giữa các vật liệu khác nhau có sự phân giới rõ rệt. Trong vật liệu công năng bậc thang, từ một phần tới phần kia là sự biến hóa dần dần và liên tục nên nó vừa không phải là vật liệu có kết cấu tổ chức đều đặn, vừa không tồn tại sự biến đổi bề mặt đột xuất. Ngoài ra, vật liệu công năng bậc thang có thể là loại hai thành phần, cũng có thể là loại đa thành phần.
Ban đầu khi các nhà khoa học đưa ra mục đích của vật liệu công năng bậc thang là để giải quyết các vấn đề khó khăn xuất hiện trong việc thiết kế, chế tạo hệ thống bảo vệ nhiệt cho máy bay thế hệ mới. Theo tính toán, khi máy bay trên đường bay, nhiệt độ của một vị trí nào đó phía thân ngoài máy bay có thể cao tới 1800oC. Vì vậy vỏ ngoài của máy bay phải được làm từ loại nguyên liệu chịu được nhiệt độ cao và chống oxy hoá; nhưng nhiệt độ của tầng bên trong của máy bay lại xuống dưới 1600oC, cần phải hoá giải một cách có hiệu quả nhiệt ứng lực do sự sai lệch nhiệt độ lớn tạo thành, mà tổng thể vật liệu lại có thể giữ được tính dẻo tốt. Do vậy, những loại vật liệu thông thường thường khó chịu được điều kiện chênh lệch nhiệt độ lớn này, và vật liệu công năng bậc thang lại có thể đảm nhiệm được nhiệm vụ khó khăn này.
Vật liệu công năng bậc thang dần thay đổi bộ phận tùy theo độ dầy, do vậy các tính năng khác cũng dần đần biến đổi. Ví dụ như vật liệu công năng bậc thang do sứ và kim loại tạo thành. Một mặt là 100% sứ, theo hướng của độ dày, thành phần của sứ dần dần hạ xuống, cuối cùng hạ xuống 0, mặt khác là 100% kim loại, cũng thay đổi tương tự dựa vào độ dày. Mặt sứ của loại vật liệu này có thể chịu được nhiệt độ cao, và hệ số dẫn nhiệt thì cực nhỏ, có thể phát huy tác dụng cách nhiệt, mặt kia là kim loại, hệ số dẫn nhiệt lớn, phân tán nhiệt rất nhanh, lại có độ cứng rất cao. Và phần trong của vật liệu lại không thể ranh giới rõ rệt, nên không tồn tại các vấn đề như phát sinh nhiệt ứng lực cho sự thay đổi đột ngột của mặt tiếp xúc.
Trong lĩnh vực nghiên cứu hay cuộc sống, chúng ta đều có thể gặp nguyên liệu chức năng bậc thang. Ví dụ sườn trong của phản ứng tổng hợp hạt nhân cần phải dùng sứ có thể chịu được chùm bức xạ, chịu được nhiệt độ cao, và sườn ngoài lại phải dùng kim loại có tính dẫn nhiệt và độ cứng cao, chọn loại vật liệu công năng bậc thang sứ kim loại thì mới có thể thỏa mãn yêu cầu như vậy. Về mặt y học, có thể dùng vật liệu công năng bậc thang để làm xương nhân tạo, răng nhân tạo. Ví dụ như chân răng có thể dùng đá vôi phốt pho loại nhiều lỗ dễ làm, phần trung tâm của răng lại chọn vật liệu có tính dẻo, và phần ngoài của răng có thể chọn loại sứ có độ cứng cao. Sau khi làm xong loại răng nhân tạo này, các tế bào cơ thể có thể duỗi vào trong chân răng với những lỗ rất nhỏ, làm cho răng định vị chắc chắn trong mộng răng, và độ kiên cố, chịu mài mòn, chịu va đập lại tốt hơn rất nhiều so với răng thật.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, vật liệu công năng bậc thang nhất định sẽ ngày càng xuất hiện nhiều hơn nữa trong các ngành nghề và trong cuộc sống của chúng ta.
