Tưởng tượng một tòa nhà tự vá lành vết nứt, một chiếc áo thay đổi màu sắc theo nhiệt độ. Đây không phải viễn tưởng, mà là thế giới của vật liệu thông minh. Khám phá ngay công nghệ vật chất đang định hình lại tương lai của chúng ta.

Vật liệu thông minh là gì?  

Nếu vật liệu thông thường giống như một hòn đá – thụ động và không thay đổi – thì vật liệu thông minh lại giống như một cái cây trinh nữ, có khả năng "phản ứng" khi bị chạm vào. 

Nói một cách đơn giản, đây là những vật liệu được thiết kế để có một hoặc nhiều thuộc tính có thể thay đổi đáng kể một cách có kiểm soát khi có tác động từ môi trường bên ngoài.

Các tác nhân kích thích này có thể là nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, điện trường, hoặc từ trường. 

Khi cảm nhận được sự thay đổi, vật liệu sẽ đáp lại bằng cách thay đổi hình dạng, màu sắc, độ cứng hoặc một đặc tính nào đó. Khả năng "cảm nhận và phản hồi" này khiến chúng trở thành những smart materials đầy tiềm năng.

Các loại vật liệu thông minh và cơ chế hoạt động

Thế giới của các vật liệu thông minh vô cùng đa dạng, mỗi loại có một cơ chế hoạt động độc đáo. Dưới đây là một số loại phổ biến và dễ hình dung nhất:

Vật liệu áp điện (Piezoelectric): Hãy nghĩ đến chiếc bật lửa điện. Khi bạn nhấn nút, nó tạo áp lực lên một tinh thể, và tinh thể đó tạo ra tia lửa điện. Vật liệu áp điện hoạt động như vậy: chúng tạo ra điện áp khi bị nén hoặc kéo giãn, và ngược lại, chúng sẽ thay đổi hình dạng khi có dòng điện chạy qua.

Vật liệu nhớ hình (Shape Memory Alloys): Tưởng tượng một chiếc kẹp giấy bằng kim loại đặc biệt. Bạn có thể bẻ cong nó thành bất kỳ hình dạng nào, nhưng chỉ cần hơ nóng, nó sẽ tự động trở lại hình dạng ban đầu. Hợp kim Niken-Titan (Nitinol) là ví dụ điển hình, được ứng dụng trong stent y tế hay gọng kính siêu dẻo.

Vật liệu nhiệt sắc (Thermochromic): Loại vật liệu này thay đổi màu sắc khi nhiệt độ thay đổi. Cơ chế này tương tự những chiếc cốc đổi màu khi đổ nước nóng vào, hay những chiếc "nhẫn tâm trạng" ngày xưa.

Vật liệu quang sắc (Photochromic): Chúng thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với ánh sáng, đặc biệt là tia UV. Ví dụ gần gũi nhất chính là tròng kính đổi màu, tự động sẫm lại khi bạn ra nắng và trong suốt trở lại khi vào nhà.

Vật liệu tự phục hồi (Self-healing): Đây là một trong những vật liệu thông minh thế hệ mới thú vị nhất. Giống như da người tự chữa lành vết thương, loại vật liệu này có khả năng tự sửa chữa các hư hỏng nhỏ. Một cơ chế phổ biến là chứa các vi nang chứa "chất chữa lành". Khi một vết nứt xuất hiện, các nang này vỡ ra, giải phóng chất lỏng lấp đầy và làm cứng lại vết nứt.

Ứng dụng của vật liệu thông minh trong xây dựng

Ngành xây dựng là một trong những lĩnh vực hưởng lợi nhiều nhất từ sự phát triển của vật liệu thông minh, mở ra kỷ nguyên của những công trình bền vững và hiệu quả hơn.

Một số ứng dụng nổi bật của vật liệu thông minh trong xây dựng:

• Bê tông tự phục hồi: Sử dụng công nghệ vật liệu tự phục hồi, loại bê tông này có thể tự "vá" các vết nứt nhỏ, giúp tăng cường tuổi thọ và độ an toàn cho các công trình như cầu, đường hầm và tòa nhà, giảm chi phí bảo trì đáng kể.
• Kính thông minh: Các loại kính quang sắc hoặc điện sắc có thể thay đổi độ trong suốt chỉ bằng một nút bấm hoặc tự động theo cường độ ánh sáng mặt trời. Loại vật liệu kiến trúc thông minh này giúp kiểm soát lượng nhiệt và ánh sáng vào tòa nhà, tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa và chiếu sáng.
• Sơn cảm ứng nhiệt: Sơn tường hoặc mái nhà bằng vật liệu nhiệt sắc có thể giúp tòa nhà thích ứng với thời tiết. Sơn sẽ có màu sáng để phản xạ nhiệt vào mùa hè và chuyển sang màu tối để hấp thụ nhiệt vào mùa đông.
• Cảm biến kết cấu: Các cảm biến áp điện được tích hợp vào kết cấu bê tông để theo dõi "sức khỏe" của công trình, phát hiện sớm các vết nứt hoặc ứng suất nguy hiểm, đặc biệt quan trọng trong các vùng có động đất.

>>> Đọc để hiểu thêm: Graphene vật liệu siêu mỏng siêu bền thay đổi công nghệ

Vật liệu thông minh trong ngành dệt may

Không chỉ dừng lại ở các công trình lớn, vật liệu thông minh còn len lỏi vào cuộc sống hàng ngày qua ngành dệt may, tạo ra những sản phẩm thời trang và tiện ích.

• Vải đổi màu: Sử dụng thuốc nhuộm nhiệt sắc hoặc quang sắc, các nhà thiết kế tạo ra quần áo có thể thay đổi màu sắc hoặc hoa văn dựa trên nhiệt độ cơ thể hoặc khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời.
• Vải điều nhiệt: Các loại vải tích hợp vật liệu chuyển pha (PCM) có khả năng hấp thụ nhiệt lượng dư thừa từ cơ thể khi trời nóng và giải phóng nhiệt lượng đó để giữ ấm khi trời lạnh, mang lại sự thoải mái tối đa cho người mặc.
• Quần áo thể thao thông minh: Sợi áp điện hoặc sợi dẫn điện được dệt vào vải để tạo ra quần áo có thể theo dõi nhịp tim, nhịp thở, chuyển động cơ bắp và gửi dữ liệu đến điện thoại thông minh, trở thành một huấn luyện viên cá nhân thực thụ.

>>> Mở rộng kiến thức: Vật liệu mới đổi mới công nghệ từ siêu bền đến siêu nhẹ

Từ những tòa nhà tự sửa chữa đến quần áo tương tác, vật liệu thông minh đang xóa nhòa ranh giới giữa vật chất tĩnh và công nghệ động. Tương lai đang được xây dựng từ những vật liệu có khả năng "suy nghĩ". Hãy cùng chờ đón những đột phá tiếp theo.

>>> Bổ sung thêm kiến thức: Kim loại lỏng ứng dụng mới trong điện tử và chế tạo