Trung Quốc tạo vật liệu composite từ tre bền hơn 81%, hấp thụ sóng điện từ

Trung Quốc tạo vật liệu composite từ tre bền hơn 81%, hấp thụ sóng điện từ.

Trung Quốc tạo vật liệu từ tre bền hơn 81%, hấp thụ sóng điện từ

Các nhà khoa học Trung Quốc biến than sinh học từ tre thành vật liệu composite có độ bền kéo tăng 81%, độ dai tăng 173% và khả năng hấp thụ sóng điện từ, mở ra triển vọng ứng dụng trong thiết bị điện tử.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Nông nghiệp An Huy, thành phố Hợp Phì (Trung Quốc), đã phát triển vật liệu composite từ tre kết hợp với nhựa có khả năng phân hủy sinh học. Vật liệu mới vừa cải thiện độ bền cơ học, vừa hạn chế nhiễu điện từ bằng cơ chế hấp thụ năng lượng thay vì chủ yếu phản xạ sóng ra môi trường xung quanh.

Vật liệu dựa trên công nghệ nano của MIT có thể bảo vệ phi hành gia khỏi bức xạ vũ trụ

Công trình được giới thiệu trên tạp chí khoa học Sustainable Carbon Materials. Theo dữ liệu thông tin có được, phiên bản vật liệu tối ưu đạt độ bền kéo 25,5 MPa, tăng 81% so với mẫu đối chứng, trong khi độ dai tăng 173%, đạt 2,68 MJ/m³.

Kết quả này cho thấy tiềm năng sử dụng nguồn nguyên liệu sinh học trong những linh kiện vốn đòi hỏi đồng thời khả năng chịu lực và bảo vệ mạch điện trước nhiễu điện từ.

Biến than tre thành vật liệu dẫn điện

Tre là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, được sử dụng phổ biến trong xây dựng, sản xuất đồ gia dụng và nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, việc đưa tre vào các vật liệu kỹ thuật dành cho thiết bị điện tử đặt ra những yêu cầu khác với ứng dụng truyền thống. Một trong những thách thức là tạo ra vật liệu có khả năng dẫn điện phù hợp, đồng thời bảo đảm độ bền khi kết hợp với nhựa.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu sử dụng than sinh học từ tre. Đây là sản phẩm thu được khi nung tre trong môi trường thiếu oxy, khiến các thành phần hữu cơ chuyển hóa thành vật liệu giàu carbon.

Bụi Mặt trăng mở hướng xây dựng hạ tầng bền vững ngoài Trái đất

Quá trình chế tạo bắt đầu bằng việc nung bột tre trong môi trường khí nitơ. Nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng kỹ thuật gia nhiệt Joule chớp nhoáng, đưa dòng điện qua vật liệu trong thời gian rất ngắn để tạo nhiệt và thay đổi cấu trúc carbon. Cách xử lý này giúp cải thiện khả năng dẫn điện của than tre. Tuy nhiên, chỉ nâng độ dẫn điện chưa đủ để tạo ra vật liệu composite có chất lượng cơ học tốt.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục xử lý bề mặt các hạt carbon bằng APTES, một hợp chất có tác dụng tăng khả năng liên kết giữa chất độn và nền nhựa. Sau đó, các hạt than sinh học đã biến tính được kết hợp với hai loại nhựa PLA và PBAT. PLA là loại nhựa có thể sản xuất từ nguyên liệu sinh học như tinh bột hoặc đường, còn PBAT là loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học trong những điều kiện phù hợp.

Việc kết hợp các thành phần này tạo ra vật liệu composite nhiều lớp, trong đó mạng lưới carbon đảm nhiệm vai trò dẫn điện, còn nền nhựa giúp định hình và phân bố lực tác động. Điểm khác biệt nằm ở cách tổ chức cấu trúc vật liệu. Thay vì phân tán chất độn đồng đều trong toàn bộ khối nhựa, nhóm nghiên cứu thiết kế những lớp có đặc tính khác nhau nhằm cải thiện đồng thời độ bền và khả năng chống nhiễu.

Vì sao vật liệu mới có thể hấp thụ sóng điện từ?

Nhiễu điện từ, thường được gọi là EMI, xuất hiện khi các trường điện từ không mong muốn ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị hoặc mạch điện. Trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị kết nối không dây, nhiều linh kiện hoạt động ở tần số khác nhau trong không gian nhỏ. Nếu không được kiểm soát, nhiễu điện từ có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và độ ổn định của hệ thống.

Các giải pháp che chắn truyền thống thường sử dụng kim loại hoặc vật liệu dẫn điện để ngăn sóng điện từ truyền qua. Tuy nhiên, một phần năng lượng có thể bị phản xạ, tạo ra nguy cơ nhiễu ở những khu vực khác. Composite từ tre được thiết kế để tăng tỷ lệ hấp thụ năng lượng điện từ.

Khi sóng đi vào vật liệu, cấu trúc nhiều lớp khiến chúng gặp nhiều bề mặt phân cách và các đường dẫn carbon. Năng lượng điện từ suy giảm trong quá trình tương tác với mạng lưới dẫn điện bên trong. Theo kết quả thử nghiệm được công bố lại, vật liệu đạt hiệu quả che chắn điện từ trung bình 36,7 dB trong dải tần 8,2 đến 12,4 GHz.

Trong tổng hiệu quả che chắn được báo cáo, thành phần hấp thụ đạt khoảng 30,8 dB, còn thành phần phản xạ đạt 5,9 dB. Để so sánh, mẫu composite không có cấu trúc phân lớp nhưng sử dụng cùng lượng chất độn chỉ đạt hiệu quả che chắn 7,5 dB. Các con số cho thấy việc sắp xếp cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống nhiễu, thay vì chỉ phụ thuộc vào lượng carbon được bổ sung.

Cần phân biệt khả năng che chắn nhiễu điện từ với việc chặn mọi loại bức xạ. Kết quả thử nghiệm trên chỉ phản ánh hiệu quả trong dải tần được nghiên cứu, chưa đủ để khẳng định vật liệu hoạt động tương đương ở tất cả tần số.

Độ bền kéo tăng 81%, độ dai tăng 173%

Bên cạnh khả năng che chắn điện từ, nhóm nghiên cứu ghi nhận sự cải thiện về tính chất cơ học. Độ bền kéo của phiên bản tối ưu đạt 25,5 MPa, tăng 81% so với mẫu đối chứng. Đây là chỉ số phản ánh mức ứng suất kéo mà vật liệu có thể chịu trước khi bị phá hủy.

Độ dai đạt 2,68 MJ/m³, tăng 173%. Chỉ số này thể hiện lượng năng lượng vật liệu có thể hấp thụ trong quá trình biến dạng trước khi đứt. Khả năng kéo giãn trước khi đứt cũng tăng từ 11,5% lên 24,7%. Điều này cho thấy vật liệu có thể biến dạng nhiều hơn trước khi bị phá hủy.

Đối với thiết bị điện tử cầm tay, sự kết hợp giữa độ bền và khả năng biến dạng có ý nghĩa trong thiết kế các bộ phận cần chịu tác động cơ học trong quá trình sử dụng. Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận độ dẫn điện của composite tối ưu đạt 12,8 S/cm, so với 1,7 S/cm ở phiên bản sử dụng than tre chưa xử lý.

Độ dẫn điện cao hơn giúp hình thành mạng lưới dẫn điện hiệu quả hơn trong nền nhựa, hỗ trợ cơ chế che chắn nhiễu điện từ. Tuy nhiên, mức tăng 81% về độ bền kéo và 173% về độ dai là kết quả so sánh với mẫu đối chứng trong nghiên cứu. Những tỷ lệ này không đồng nghĩa vật liệu mới bền hơn tất cả nhựa kỹ thuật hoặc composite đang được thương mại hóa.

Điện thoại và máy tính có thể hưởng lợi như thế nào?

Nhóm nghiên cứu đề cập khả năng ứng dụng vật liệu trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay và những thiết bị điện tử cần bảo vệ mạch điện trước nhiễu điện từ. Trong các thiết bị hiện nay, nhà sản xuất có thể sử dụng nhiều giải pháp chống nhiễu, gồm lớp phủ dẫn điện, lá kim loại, vỏ chắn linh kiện hoặc các tấm vật liệu chuyên dụng.

Nếu một vật liệu composite có thể đồng thời chịu lực và che chắn điện từ, nhà sản xuất có thêm lựa chọn tích hợp chức năng bảo vệ vào chính kết cấu của thiết bị. Chẳng hạn, vật liệu có thể được nghiên cứu để chế tạo một số bộ phận vỏ, tấm ngăn hoặc kết cấu bảo vệ linh kiện, qua đó giảm nhu cầu sử dụng các lớp chắn riêng biệt trong những thiết kế phù hợp. Dù vậy, việc ứng dụng vào sản phẩm thương mại vẫn cần nhiều thử nghiệm.

Các nhà sản xuất phải đánh giá độ bền sau thời gian dài sử dụng, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định trong môi trường ẩm, khả năng gia công hàng loạt và mức độ tương thích với quy trình lắp ráp hiện có. Ngoài ra, hiệu quả chống nhiễu phải được kiểm tra ở những dải tần thực tế của từng thiết bị. Một vật liệu hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm chưa chắc đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khi được tích hợp vào sản phẩm hoàn chỉnh.

Cơ hội nào cho ngành vật liệu Việt Nam?

Việt Nam có nguồn nguyên liệu tre và hoạt động sản xuất sản phẩm từ tre. Vì vậy, công nghệ sử dụng than sinh học từ tre đặt ra một hướng nghiên cứu có thể quan tâm đối với các cơ sở đào tạo, doanh nghiệp vật liệu và đơn vị sản xuất linh kiện điện tử trong nước.

Thay vì chỉ khai thác tre cho những sản phẩm có giá trị gia tăng thấp, các đơn vị nghiên cứu có thể xem xét khả năng chuyển hóa nguồn nguyên liệu này thành chất độn chức năng phục vụ ngành công nghiệp vật liệu.

Tuy nhiên, công nghệ trong nghiên cứu không đơn thuần là trộn bột tre với nhựa. Quy trình còn đòi hỏi xử lý nhiệt trong môi trường kiểm soát, gia nhiệt bằng dòng điện, biến tính hóa học và tổ chức cấu trúc composite nhiều lớp. Những công đoạn này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng và khả năng mở rộng quy mô.

Một vấn đề khác là tính bền vững của toàn bộ quy trình. Dù sử dụng nguyên liệu tre và các loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học, điều đó chưa đủ để kết luận sản phẩm cuối cùng có thể phân hủy dễ dàng trong môi trường tự nhiên. Khả năng phân hủy còn phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc, điều kiện xử lý sau sử dụng và hệ thống thu gom chất thải.

Đối với doanh nghiệp Việt Nam, hướng tiếp cận phù hợp trước mắt là theo dõi kết quả nghiên cứu, đánh giá khả năng tiếp nhận công nghệ và xác định những ứng dụng có yêu cầu kỹ thuật tương thích. Việc thương mại hóa chỉ có cơ sở khi vật liệu chứng minh được hiệu quả so với các giải pháp đang sử dụng, xét trên cả chất lượng, chi phí và độ ổn định sản xuất.

Nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc cho thấy nguồn nguyên liệu sinh học có thể được khai thác để tạo ra vật liệu phục vụ công nghệ điện tử. Tuy nhiên, khoảng cách từ mẫu thử trong phòng thí nghiệm đến sản phẩm thương mại vẫn cần được đánh giá bằng dữ liệu thực nghiệm và kiểm chứng độc lập.