MIẾNG GEL TREO ĐƯỢC MỘT KÝ

Một chuỗi polymer đơn lẻ, khi bị kéo từ hai đầu, trước tiên duỗi ra, rồi cứng lại đột ngột khi thẳng ra, và cuối cùng làm đứt một liên kết cộng hóa trị bền vững. Thế nhưng một mạng lưới làm từ những chuỗi như vậy — một miếng gel hay cao su — lại yếu hơn một chuỗi đơn nhiều bậc độ lớn. Các mô phỏng máy tính gần đây, được bài báo trích dẫn, cho thấy lý do: khi một mạng lưới bị kéo giãn, lực căng được chia sẻ rất không đồng đều. Một vài đường chịu lực căng cao hình thành rồi đứt lần lượt, trong khi phần lớn các sợi vẫn cuộn lại và gần như không chịu tải.

Yu Zhou, Chenghai Li, Zheqi Chen, Xianyang Bao và Zhigang Suo tại Đại học Harvard quy trách nhiệm cho các liên kết ngang (cross-link), những điểm nối buộc các sợi lại với nhau. Mỗi liên kết ngang nối bốn sợi, nhưng chỉ hai trong số đó chịu lực căng cao. Các liên kết ngang làm tập trung tải trọng.

Ít nút thắt hơn, nhiều chỗ rối hơn

Giải pháp của họ là phân tán lực căng. Với ít liên kết ngang hơn hẳn, các sợi trở nên dài và rối vào nhau. Các tác giả hình dung tải trọng được gánh bởi những “trụ chịu lực căng cao” — cả những bó sợi rối vào nhau. Vì lực giữa các sợi yếu, những chỗ rối trượt như ròng rọc: khi một chỗ rối liên quan đến bốn đoạn, cả bốn đều gánh tải. Sợi càng dài càng huy động được nhiều phần của mạng lưới.

Họ đã thử nghiệm điều này trên hydrogel polyacrylamide, những chất rắn mềm chủ yếu là nước, được làm trương đến trạng thái cân bằng trước mỗi lần thử, như khi chúng được sử dụng thực tế. Hai núm điều chỉnh quyết định mạng lưới: lượng chất tạo liên kết ngang và lượng nước trong quá trình tổng hợp.

• Độ bền đo trên mỗi đơn vị polymer — “độ bền hiệu dụng” theo cách gọi của các tác giả — tăng lên khi liên kết ngang thưa đi, theo một quy luật đơn giản: nó tăng tỷ lệ nghịch với lượng chất tạo liên kết ngang, đạt khoảng 100 megapascal.
• Thay đổi lượng nước, và do đó lượng chỗ rối, chỉ làm nó thay đổi chưa đến hai lần. Liên kết ngang làm tập trung lực căng; các chỗ rối thì không.

Làm trương, ép dẹt, lặp lại

Để biến điều này thành một vật liệu bền, nhóm đã xây dựng các mạng lưới đan cài được kéo căng trước (prestretched interlocking networks). Một miếng gel có ít liên kết ngang được ngâm trong cùng hỗn hợp ban đầu, ép dẹt để nó giãn ra theo chiều ngang, rồi chiếu tia cực tím: một mạng lưới thứ hai hình thành bên trong mạng thứ nhất và khóa nó ở trạng thái bị kéo giãn. Làm thêm một lần nữa sẽ cho ra một mạng lưới ba lớp.

Ba loại hydrogel polyacrylamide: thông thường, rối mạnh và đan xen được kéo căng trước. Loại thông thường giữ được khoảng 10 g; loại được kéo căng trước giữ được 1.000 g. — Hình 3, Zhou, Li, Chen, Bao & Suo (2026), arXiv:2610.11837, CC BY 4.0.

• Độ bền tăng từ khoảng 0,05 megapascal ở hydrogel thông thường lên khoảng 1 ở loại rối mạnh và khoảng 10 ở mạng lưới ba lớp.
• Gel mạng lưới ba lớp giữ được vật nặng gấp khoảng một trăm lần so với gel thông thường.
• Nó vẫn đàn hồi: chỉ 8,4% năng lượng bị mất trong một chu kỳ kéo và thả.
• Theo hiểu biết của các tác giả, đây là hydrogel polyacrylamide bền nhất từng được báo cáo.

Công thức này cũng hoạt động khi không có nước. Ở một vật liệu giống cao su không chứa nước, một chất đàn hồi (elastomer) gọi là poly(ethyl acrylate), độ bền tăng từ khoảng 1 lên 4 megapascal khi giảm liên kết ngang, và lên khoảng 25 megapascal sau khi kéo căng trước, với mức hao hụt năng lượng chỉ vài phần trăm.

Vẫn chỉ 1% số sợi

Ngay cả 100 megapascal cũng còn thấp hơn rất nhiều so với khoảng 10 gigapascal mà các liên kết cộng hóa trị có thể chịu được. Theo ước tính của các tác giả, chỉ khoảng 1% số sợi đạt đến giới hạn đó; phần còn lại vẫn chịu tải ít hơn nhiều. Họ viết rằng làm thế nào để huy động 99% còn lại là một câu hỏi mở, có thể cần những thiết kế mạng lưới hoàn toàn mới.