Một nghiên cứu mới đây với sự tham gia của TS. Mai Thanh Tâm (Giảng viên Bộ môn Hóa Polyme Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG-HCM) đã công bố những phát hiện quan trọng về vai trò của sự phục hồi biến dạng đàn hồi nhớt đối với động lực học mở rộng vết nứt của vật liệu polymer mềm (elastomers).
Nghiên cứu có tiêu đề “Viscoelastic strain recovery governs crack-tip opening dynamics of elastomers” (tạm dịch: Sự phục hồi biến dạng đàn hồi nhớt chi phối động lực học mở rộng đỉnh vết nứt của chất đàn hồi) là kết quả hợp tác giữa TS. Mai Thanh Tâm và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Kenji Urayama (Nhật Bản). Công trình tập trung giải mã cách các vật liệu mềm bị phá hủy dưới tác động của lực kéo, một vấn đề cốt lõi trong khoa học vật liệu và cơ học phá hủy.
Vật liệu đàn hồi nhớt (viscoelastic elastomers) được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật, từ lốp xe đến các mô sinh học nhân tạo. Tuy nhiên, cơ chế lan truyền vết nứt trong các vật liệu này phức tạp hơn nhiều so với vật liệu đàn hồi thuần túy do sự tồn tại của các thành phần tiêu tán năng lượng.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã khảo sát động lực học mở rộng vết nứt (kiểu nứt gãy Mode-I) trên các tấm vật liệu đàn hồi nhớt đã được kéo căng trước. Điểm đặc biệt là mức độ đàn hồi nhớt của vật liệu được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi tỷ lệ trộn giữa các chuỗi tiền chất poly[(tetrahydrofuran)-(neopentyl glycol)] (PTHF) và chất liên kết chéo ba chức năng isocyanuric acid tris (5-pentyl isocyanate). Việc điều chỉnh tỷ lệ này tạo ra các thành phần hồi phục khác nhau, chẳng hạn như các “chuỗi treo” (dangling chains) tự do trong cấu trúc mạng lưới, từ đó kiểm soát tính chất nhớt của vật liệu.
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra những điểm tương đồng thú vị nhưng cũng đầy khác biệt giữa vật liệu đàn hồi nhớt và vật liệu đàn hồi thông thường:
– Bước nhảy vận tốc: Khi tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng (Γ) vượt qua một ngưỡng tới hạn (Γ*), vận tốc vết nứt trong vật liệu đàn hồi nhớt tăng vọt một cách gián đoạn theo cấp số nhân. Hiện tượng này tương tự như những gì quan sát được ở các chất đàn hồi đàn tính truyền thống và không phụ thuộc vào độ nhớt của vật liệu.
– Sự sụt giảm Độ mở đỉnh vết nứt (CTOD): Đây là điểm khác biệt mấu chốt. Trong khi các chất đàn hồi thuần túy duy trì độ mở đỉnh vết nứt (CTOD) gần như không đổi khi vận tốc tăng vọt, thì ở chất đàn hồi nhớt, CTOD lại giảm mạnh.
Nhóm nghiên cứu giải thích hiện tượng này thông qua thời gian hồi phục đặc trưng (τR) của vật liệu. CTOD phản ánh khả năng phục hồi hình dạng của vật liệu ở vùng ngay sau đỉnh vết nứt.
Khi vết nứt lan truyền nhanh (vượt ngưỡng Γ*), thời gian quan sát tại tâm mẫu thử trở nên ngắn hơn nhiều so với thời gian cần thiết để vật liệu hồi phục (τR). Điều này dẫn đến hiệu ứng “lưu giữ biến dạng” (strain retention) – vật liệu không kịp hồi phục về trạng thái ban đầu, khiến độ mở của vết nứt bị thu hẹp lại. Giả thuyết này đã được nhóm tác giả xác nhận thông qua các thử nghiệm rão-hồi phục (creep-recovery) độc lập, chứng minh sự tương quan chặt chẽ giữa thời gian hồi phục và thời gian quan sát tới hạn.
Nghiên cứu này khẳng định tính đàn hồi nhớt đóng vai trò quyết định trong động lực học nứt gãy của vật liệu mềm. Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa thời gian quan sát và thời gian phục hồi biến dạng mở ra những hướng đi mới trong việc thiết kế các vật liệu polymer có khả năng chịu lực tốt hơn và dự đoán chính xác hơn tuổi thọ của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.
Nhóm tác giả: Ayano Kozono – Khoa Khoa học và Công nghệ Cao phân tử, Viện Công nghệ Kyoto (Nhật Bản); Mai Thanh Tâm – Khoa Hóa học (Bộ môn Hóa Polyme), Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG-HCM (Việt Nam); Kenji Urayama – Khoa Hóa Vật liệu, Đại học Kyoto (Nhật Bản).
Nguồn tham khảo:
Bài báo: Viscoelastic strain recovery governs crack-tip opening dynamics of elastomers
Tạp chí: Polymer (ScienceDirect)