Thế giới đang tích cực tìm kiếm các giải pháp nâng cao hiệu suất của ô tô và các phương tiện khác, hạn chế phát thải khí nhà kính và tăng cường phạm vi của xe điện, một trong các giải pháp đó là những loại vật liệu nhẹ và bền vững để sử dụng trong thân xe ô tô.

Vật liệu nhẹ được làm từ sợi carbon, có độ bền đặc biệt với trọng lượng thấp, nhưng đắt hơn khi sản xuất các cấu trúc tương đương làm bằng thép hoặc nhôm. Nhóm nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Massachusetts (MIT), phối hợp với các cơ sở khoa học khác đã tìm ra kỹ thuật mới, chế tạo những sợi vật liệu nhẹ từ nguyên liệu siêu rẻ: vật liệu phế thải nặng từ quá trình lọc dầu, sử dụng cho những ứng dụng giá trị thấp như nhựa đường hoặc bị coi là chất thải.

Sợi carbon mới không chỉ rẻ mà còn có những lợi thế hơn so với vật liệu sợi carbon truyền thống vì có cường độ chịu nén cao, có thể sử dụng cho các ứng dụng chịu lực. Quy trình chế tạo sợi carbon được giới thiệu trong một báo cáo khoa học đăng ngày 18/3/2022 trên tạp chí Science Advances, tác giả là nghiên cứu sinh Asmita Jana, nhà khoa học nghiên cứu Nicola Ferralis, GS Jeffrey Grossman và năm nhà khoa học khác tại MIT, Viện nghiên cứu phương Tây ở Wyoming, phòng thí nghiệm Oak Ridge National ở Tennessee.

Một vòng tròn bằng sợi carbon có đường kính khoảng 10 micromet. Ảnh: Nicola Ferralis

Nghiên cứu bắt đầu cách đây 4 năm theo yêu cầu của Bộ Năng lượng. Cơ quan này đang tìm kiếm giải pháp cho ô tô hiệu quả hơn, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách giảm trọng lượng tổng thể. Nhà nghiên cứu Ferralis thuộc MIT nói: “Mô hình chiếc xe hiện nay so với 30 năm trước nặng hơn đáng kể. Trọng lượng của ô tô đã tăng hơn 15% trong cùng loại.”

Một chiếc xe nặng hơn đòi hỏi phải có động cơ lớn hơn, phanh mạnh hơn, v.v., do đó, giảm trọng lượng của thân xe và các bộ phận khác có tác động giúp tiết kiệm trọng lượng. DOE đang thúc đẩy sự phát triển các vật liệu kết cấu nhẹ, có độ an toàn như các tấm thép thông thường hiện nay nhưng được chế tạo với giá rẻ để thay thế hoàn toàn thép trong các phương tiện tiêu chuẩn.

Vật liệu tổng hợp làm từ sợi carbon không phải là ý tưởng mới, nhưng cho đến nay trong lĩnh vực ô tô chỉ được sử dụng trong một số mẫu xe rất đắt tiền. Nghiên cứu mới nhằm mục đích cung cấp nguyên liệu ban đầu chi phí thấp và phương pháp chế biến tương đối đơn giản để áp dụng rộng rãi cho ngành chế tạo xe.

Nhà nghiên cứu Ferralis thuộc MIT cho biết, sợi carbon có chất lượng cần thiết cho ô tô có giá ít nhất từ ​​10 đến 12 USD cho một pound (0,5 kg) và lên đến hàng trăm USD một pound cho những ứng dụng chuyên dụng như linh kiện tàu vũ trụ. Nhưng chỉ có khoảng 75 cent một pound thép hoặc 2 USD với nhôm. Do đó, sản xuất một chiếc xe bán tải bằng sợi carbon sẽ khiến chi phí tăng gần gấp đôi.

Những sợi carbon làm từ các polymer (như polyacrilonitril) có nguồn gốc từ dầu mỏ, được chế tạo bằng cách trùng hợp các hợp chất carbon. Chi phí của polymer chiếm hơn 60% tổng chi phí của sợi. Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu sử dụng là cặn còn lại sau quá trình tinh chế dầu mỏ, được gọi là hắc ín.

Hắc ín là một tổ hợp hỗn hợp các hydrocacbon nặng và nhờ đó có rất nhiều hóa chất có thể khai thác. Hắc ín có thể cháy, nhưng khói làm ô nhiễm môi trường, vì vậy hắc ín thường bị chôn lấp.

Hắc ín được tạo ra từ những tập hợp phân tử không đồng nhất. Bằng phương pháp mô hình hóa chi tiết các cách liên kết hình thành và liên kết chéo giữa các phân tử cấu thành, nhóm nghiên cứu phát triển một một tập hợp các điều kiện xử lý nhất định, tạo lên những đặc tính mới của sợi carbon với độ chính xác cao.

Kết quả của nghiên cứu cho thấy, điều chỉnh các điều kiện xử lý cho thể tạo ra sợi carbon có sức bền vật liệu cao cả khi căng và nén, được sử dụng trong những ứng dụng chịu tải như thân xe. Kết quả này mở ra những khả năng hoàn toàn mới về tính hữu dụng của những vật liệu này.

Nhóm nghiên cứu MIT ước tính, phương pháp mới cho phép chế tạo các sợi carbon giá rẻ, đạt mức tương đương 3 USD một pound (0,5 kg). Kỹ thuật mới này không chỉ hiệu quả về chi phi mà còn mở ra hướng sử dụng rác thải trong hóa dầu để phát triển các vật liệu mới, bền vững cho các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực sản xuất phương tiện di chuyển và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.