Bên trong mỗi động cơ điện, từ động cơ có trong bàn chải điện đánh răng đến động cơ trong xe điện, một bộ phận quay (rotor) quay bên trong một phần cố định (stator), tạo ra từ trường liên tục thay đổi. Sự thay đổi liên tục hướng từ này buộc các vùng từ nhỏ bên trong kim loại phải liên tục sắp xếp lại.
Trong các vật liệu thông thường với cấu trúc tinh thể có trật tự, quá trình này diễn ra không hiệu quả. Cấu trúc bên trong chống lại các thay đổi này, tạo ra ma sát ở cấp độ vi mô. Sức cản trở đó dẫn đến tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt, một hiện tượng thường được gọi là tổn thất sắt.
Các nhà khoa học đang nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất hiệu suất bằng cách cải tiến vật liệu dùng trong động cơ điện. Trong các động cơ hiện nay, stator và rotor được làm từ hợp kim sắt từ thông thường. Mặc dù các hợp kim này đã được tối ưu hóa, nhưng chúng vẫn có tổn thất tương đối cao trong quá trình từ hóa lập lại.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Saarland (Đức) muốn thay thế hợp kim có cấu trúc tinh thể thông thường này bằng các hợp kim vô định hình, giống như thủy tinh, vì chúng hầu như không mất năng lượng trong quá trình từ hóa lập lại, Giáo sư Ralf Busch, trưởng nhóm nghiên cứu giải thích.
Không giống như kim loại thông thường, thủy tinh kim loại không có cấu trúc mạng tinh thể. Cấu trúc nguyên tử của chúng là vô định hình, trong đó các nguyên tử được sắp xếp ngẫu nhiên chứ không phải theo mô hình lặp lại điển hình của kim loại, khiến chúng giống thủy tinh hơn là kim loại.
Do không có cấu trúc tinh thể cứng nhắc cản trở, các miền từ tính có thể định hướng lại tự do hơn khi từ trường thay đổi. Kết quả là năng lượng lãng phí tại các chu kỳ từ hóa và khử từ giảm đáng kể, giúp cải thiện hiệu suất động cơ và giảm sinh nhiệt. Do đó, tính chất từ tính của thủy tinh kim loại đặc biệt phù hợp sử dụng trong động cơ điện.
Cái tên “thủy tinh kim loại” có thể hơi gây hiểu lầm, vì thủy tinh thường được cho là giòn và dễ vỡ. Trên thực tế, thủy tinh kim loại thường cứng hơn cả thép! Thuật ngữ “thủy tinh” chỉ đơn thuần đề cập đến cấu trúc nguyên tử vô định hình bên trong của nó.
Cấu trúc này đạt được bằng cách lựa chọn cẩn thận hỗn hợp các nguyên tố, nung chảy chúng, sau đó làm nguội vật liệu nóng chảy một cách đủ nhanh để các nguyên tử “đông cứng” tại chỗ trước khi chúng có thể sắp xếp thành mạng tinh thể.
Phương pháp sản xuất bộ phận động cơ điện cũng rất quan trọng. Trong quy trình này, bột kim loại mịn của hợp kim được nung chảy từng lớp bằng laser, sau đó làm nguội nhanh chóng để vật liệu “đông cứng” thành trạng thái vô định hình, giống như thủy tinh trước khi các tinh thể có thể hình thành. Quá trình này quan trọng, vì nó duy trì cấu trúc phi tinh thể, mang lại cho vật liệu đặc tính từ tính có lợi.
Việc chế tạo ra hợp kim thủy tinh kim loại với các đặc tính phù hợp để thay thế các vật liệu động cơ điện thông thường, đồng thời có thể in 3D, là mục tiêu chính của dự án nghiên cứu này do EU tài trợ. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ralf Busch cuối cùng đã đạt được mục tiêu này.
Giáo sư Ralf Busch và nhóm của ông đã xác định thành công ba hợp kim, có khả năng chống kết tinh và sở hữu các đặc tính cần thiết để in 3D các bộ phận động cơ kim loại hoàn toàn giống thủy tinh một cách đáng tin cậy. Với sự phổ biến rộng rãi của động cơ điện, tác động của bước đột phá này có thể rất đáng kể.
Vật liệu tốt hơn đồng nghĩa với động cơ hiệu quả hơn, bền hơn, giảm sinh nhiệt và tổn thất năng lượng. Trên thực tế, điều này có thể hỗ trợ xe điện nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn; máy bay không người lái có thời gian bay dài hơn; máy móc công nghiệp tiêu thụ ít điện năng hơn trong khi vẫn mang lại hiệu suất cao hơn.
