Xây dựng & Kiến trúc

Công nghệ siêu vật liệu của người La Mã cổ đại xây dựng nhà chống động đất

Người La Mã cổ đại đã tạo dựng được một nền văn minh vĩ đại, có ảnh hưởng lớn tới toàn Châu Âu. Nhưng có lẽ thành tựu nổi bật nhất là những đóng góp to lớn của người La Mã về kiến trúc và nghệ thuật. Một nghiên cứu gần đây cho thấy, để xây dựng được các tòa nhà quan trọng và giúp chúng có thể đứng vững qua những trận động đất, người La Mã đã sử dụng một loại công nghệ siêu vật liệu.

Những công trình chống động đất

Những siêu vật liệu đó là gì? Đó là những cấu trúc nhân tạo bao gồm các dãy thiết bị cộng hưởng giúp biến đổi sóng điện từ hoặc âm thanh theo những cách thức không thường được thấy trong tự nhiên. Một nhánh toán học gọi là ngành quang học chuyển đổi đã được phát triển để thiết kế ra các thiết bị mới làm từ siêu vật liệu – bao gồm áo choàng tàng hình có khả năng chuyển hướng các vật thể vi sóng tròn, theo trang Physics World.

siêu vật liệu
siêu vật liệu

Theo nền lịch sử chính thống hiện nay, các siêu vật liệu được tổng hợp lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm vào năm 2000. Vật liệu dẫn điện như đồng và vàng đã được sử dụng trong các mô hình cụ thể. Một trong số chúng được sắp xếp theo dạng thức các mạng tinh thể nhiều lớp. Trong xây dựng, các kỹ sư cũng có thể thiết kế các công trình có cấu trúc mô phỏng các siêu vật liệu. Lấy ví dụ, một tòa nhà được bao quanh bởi một mạng lưới các vật thể rắn hoặc lỗ hổng có thể thành công trong việc chuyển hướng sóng địa chấn đang tác động đến công trình.


Năm 2000 siêu vật liệu được nghiên cứu bằng cách sắp xếp các vật liệu dẫn điện như đồng và vàng theo các mẫu cụ thể.

Năm 2012, một ý tưởng tương tự đã được thử nghiệm bởi một nhóm các nhà nghiên cứu khi họ đào một dãy lỗ khoan 2 chiều xuống lòng đất ở độ sâu khoảng 5m. Họ tạo ra sóng âm ở gần đó, và khi sóng âm tiếp cận hai hàng lỗ đầu tiên, phần lớn năng lượng của sóng âm bị phản xạ trở lại nguồn phát. Người ta cũng đã phát hiện ra rằng, một số công trình La Mã cũng có mô hình cấu trúc tương tự, từ đó trở thành các công trình chống động đất quan trọng vào thời cổ đại.

Greg Gbur, nhà vật lý tại Đại học Bắc Carolina, chia sẻ với trang Ars Technica rằng:

Tôi nghi ngờ những người xây dựng các công trình này cổ đại này đã cố tình thiết kế sao cho các tòa nhà có khả năng chống động đất, hoặc thậm chí theo thời gian, có lẽ họ đã vô thức phát triển các thiết kế để làm cho chúng chắc chắn hơn, và thời gian để đạt được sự an toàn đó dường như rất ngắn. Tuy nhiên, tôi cũng nghĩ rằng, có thể đã xảy ra một dạng “chọn lọc tự nhiên”. Các siêu đô thị được xây dựng bằng kỹ thuật [tốt hơn] vô tình tránh được động đất và có lẽ đã tồn tại lâu hơn các đô thị khác. Do đó, ngày nay chúng ta có cơ hội được chiêm ngưỡng tàn tích của chúng.

Công nghệ siêu vật liệu La Mã cổ đại

Có lẽ kỹ thuật xây dựng của người dân thành Rome là một trong những lý do khiến thành phố này trở thành nơi tiên tiến bậc nhất ở Châu Âu. Lấy việc sử dụng bê tông làm ví dụ điển hình. Các công trình được làm từ bê tông hiện nay dự kiến ​​chỉ có thể tồn tại khoảng 100 – 200 năm. Tuy nhiên, các công trình bê tông của người La Mã cổ đại vẫn duy trì được cấu trúc toàn vẹn sau cả 2.000 năm. Sở dĩ các công trình này có thể vững bền qua mọi biến thiên của thời gian như vậy là vì người La Mã cổ đại đã sử dụng một phương pháp chế tạo bê tông rất khác biệt.

Theo trang Ancient Origins, Bê tông La Mã có một số tính chất khác biệt so với bê tông hiện đại. Đầu tiên là loại keo kết dính các thành phần bê tông với nhau. Bê tông La Mã tạo ra một hợp chất khác biệt đáng kể so với xi măng Portland hiện đại (loại xi măng phổ biến nhất hiện nay). Đó là một chất kết dính cực kỳ ổn định. Khác biệt thứ hai liên quan đến các sản phẩm thủy hóa trong bê tông – bê tông nước biển cổ đại chứa cấu trúc tinh thể lý tưởng của hợp chất hóa học tobermorite, có độ cứng và độ bền cao hơn so với bê tông hiện nay.

siêu vật liệu
siêu vật liệu

Bê tông La Mã cổ đại chứa tobermorite, có cấu trúc tinh thể lý tưởng hơn so với bê tông hiện đại.

Một công trình biểu tượng khác của người La Mã cổ đại còn tồn tại đến nay là mạng lưới đường bộ rộng lớn. Họ xây dựng khoảng 240.000 dặm đường (hơn 386.000km), trải dài từ Vương quốc Anh đến Ma-rốc. Người La Mã xây dựng đường có ba lớp: lớp nền ở dưới cùng, lớp giữa và lớp phủ bề mặt. Lớp nền thường bao gồm đá hay đất, ngoài ra còn có thể dùng sỏi thô, gạch vỡ, vật liệu đất sét, thậm chí là làm bằng gỗ nếu con đường xây trên vùng đầm lầy.


Nhiều con đường người La Mã cổ đại xây dựng vẫn còn tồn tại đến ngày nay.

Lớp giữa thường làm bằng siêu vật liệu mềm hơn, như cát hay sỏi mịn. Nó có thể bao gồm nhiều lớp liên tiếp nhau. Cuối cùng, lớp bề mặt được phủ sỏi, đôi khi còn được trộn với vôi.

6 siêu vật liệu có thể thay đổi thế giới

Graphene có thể là “siêu vật liệu” nổi tiếng nhất hiện nay, nhưng ngoài graphene thì các nhà khoa học còn sáng tạo ra những vật liệu hết sức thú vị với tiềm năng sẽ thay đổi thế giới.

Graphene – vật liệu tạo ra từ một lớp nguyên tử cacbon liên kết nhau theo mạng tinh thể hình tổ ong, siêu nhẹ, siêu mỏng và siêu cứng – có lẽ là vật liệu được mong chờ nhất hiện nay. Tuy nhiên đây không phải là “siêu vật liệu” duy nhất được tạo ra trong các phòng thí nghiệm.

Từ aerogel nhẹ như không khí đến siêu vật liệu có thể điều khiển ánh sáng, dưới đây là 6 siêu vật liệu có tiềm năng để biến đổi thế giới tương lai.

siêu vật liệu
siêu vật liệu

Siêu vật liệu tự phục hồi – nhựa sinh học

Cơ thể con người có khả năng tự sửa chữa rất tốt. Môi trường xung quanh với các vật liệu nhân tạo thì không. Giáo sư Scott White tại Đại học Illinois đã nghiên cứu và chế tạo ra loại nhựa sinh học có thể tự chữa lành. Vào năm ngoái, phòng thí nghiệm của White đã phát minh ra một loại polymer mới có thể tự rỉ ra để sửa chữa một lỗ hổng ở kích thước có thể nhìn thấy được.

Các polymer này có một hệ thống mạch chất lỏng mà khi vỡ sẽ tràn ra, sau đó đông thành cục giống như máu. Mặc dù đã tồn tại vật liệu có thể chữa lành các vết nứt nhỏ, vật liệu mới này có thể sửa chữa một lỗ rộng 4mm với các vết nứt tỏa ra xung quanh nó. Da người có thể tự chữa lành vết thủng này, nhưng đây là một sự đột phá với chất dẻo.

Bước tiếp theo có thể là nghiên cứu về các siêu vật liệu cứng như xi măng hoặc kim loại tự phục hồi. Tất nhiên tạo ra được các vật liệu là một chuyện, còn sản xuất hàng loạt để chúng có mức giá rẻ và dùng trong công nghiệp lại là chuyện khác. Trong tương lai gần, vật liệu tự phục hồi có lẽ sẽ dùng chủ yếu trong công nghệ vũ trụ.

Vật liệu nhiệt điện – tận dụng nhiệt thải

Nếu bạn đã từng cảm thấy chiếc máy tính xách tay nóng lên trên đùi hoặc mui xe nóng lên sau khi chạy một quãng đường dài, bạn đã chứng kiến sự lãng phí nhiệt. Nhiệt thải là kết quả tất yếu của việc chạy bất kỳ thiết bị có sử dụng điện. Một ước tính cho thấy lượng nhiệt thải ra bằng hai phần ba của toàn năng lượng sử dụng. Đó là lý do nhiều nhà khoa học đã tìm cách tận dụng lượng nhiệt thải này. Câu trả lời là vật liệu nhiệt điện, chất liệu tạo ra điện từ sự chênh lệch nhiệt độ.

Năm ngoái, công ty Alphabet Energy ở California (Mỹ) đã giới thiệu một máy phát nhiệt điện cắm thẳng vào ống xả của máy phát điện thông thường, biến nhiệt thải thành điện năng hữu ích. Máy phát điện của Alphabet Energy sử dụng vật liệu nhiệt điện tương đối rẻ và tự nhiên gọi là tetrahedrite. Alphabet Energy nói tetrahedrite có thể đạt hiệu suất 5-10%.

Các vật liệu nhiệt điện hiện nay vẫn có giá thành cao, do đó thường được sử dụng ở các dự án như tàu vũ trụ. Mới đây các nhà khoa học cũng đã thử nghiệm với một vật liệu nhiệt điện đầy hứa hẹn và hiệu suất cao gọi là skutterudite, đó là một loại khoáng chất có chứa coban. Skutterudite có thể trở nên rẻ và hiệu suất đủ cao để bao bọc xung quanh ống xả của xe hơi, tủ lạnh hoặc bất kỳ thiết bị tiêu tốn năng lượng khác mà bạn có thể nghĩ đến.

Perovskites – tế bào năng lượng mặt trời giá rẻ

Trở ngại lớn nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo luôn luôn là tiền bạc. Năng lượng mặt trời rẻ, nhưng tạo ra một nhà máy điện sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời từ tinh thể silicon vẫn là một quá trình tốn kém, tiêu tốn năng lượng. Vật liệu có thể làm thay đổi điều này là perovskites.

Các tế bào năng lượng mặt trời được làm từ perovskites

Perovskites được phát hiện từ hơn một thế kỷ trước, nhưng các nhà khoa học chỉ mới nhận ra tiềm năng của nó gần đây. Trong năm 2009, các tế bào năng lượng mặt trời làm từ perovskites có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời 3,8%. Tới năm 2014, con số này đã lên tới 19,3%. Nó nghe có vẻ không nhiều so với các tế bào tinh thể silicon truyền thống với hiệu suất dao động trong khoảng 20% nhưng có hai điểm quan trọng khác cần xét tới. Thứ nhất, hiệu suất perovskites đã nhảy vọt chỉ trong một vài năm và các nhà khoa học nghĩ rằng nó còn có thể tăng thêm; và thứ hai là perovskites rẻ hơn rất nhiều.

Perovskites là một loại siêu vật liệu được xác định bởi một cấu trúc tinh thể đặc biệt. Chúng có thể chứa số lượng nguyên tố bất kỳ, đối với perovskites sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời thường là chì và thiếc. Những nguyên liệu này có giá rẻ so với silicon tinh thể, và chúng có thể được phun lên kính dễ dàng. Oxford Photovoltaics là một trong những công ty hàng đầu đang cố gắng để thương mại hóa perovskites, để đưa sự tuyệt vời của chúng trong phòng thí nghiệm vào trong thế giới thực.

Aerogel – siêu nhẹ và cứng

Aerogel không giống như một vật liệu thực. Mặc dù nhẹ và tinh khiết như không khí, chúng có thể dễ dàng chịu được sức nóng của một đèn hàn và trọng lượng của một chiếc xe hơi. Vật liệu này gần giống như cái tên của nó: là chất gel mà các chất lỏng đã được thay thế hoàn toàn bằng khí. Nhưng bạn có thể thấy lý do tại sao nó cũng được gọi là “khói đóng băng” hay “khói xanh”.

Từ khóa:

  • Vật liệu siêu cứng là gì
  • Aerogel
  • Vật liệu siêu dẫn
  • Vật liệu siêu cứng thường dùng để
  • Vật liệu cứng nhất the giới
  • Vật liệu siêu bền
  • Vật liệu siêu nhẹ
  • Graphene

Nội dung liên quan:

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button