III. Các vật liệu được kích hoạt từ: lực hấp dẫn của các hạt nhỏ
Một nhóm vật liệu thông minh khác bao gồm các chất lỏng lưu biến mang từ tính (MP). Các tính chất lưu biến của những chất lỏng này thay đổi dưới tác động của từ trường. Sự thay đổi đó tỷ lệ thuận với cường độ từ trường, có thể được điều chỉnh rất chính xác bằng cách làm thay đổi cường độ này và biến mất ngay lập tức sau khi cắt bỏ từ trường.
Chất lỏng MP điển hình là huyền phù của các vi hạt(thường có kích thước từ 3 đến 8 mk) của các vật liệu từ(về nguyên tắc từ 20 đến 40% chất lỏng MP là các hạt sắt tinh khiết) có trong dung môi, thí dụ như dầu khoáng, dầu tổng hợp, nước hay glikol.(18) Các chất hoạt tính bề mặt khác nhau, thí dụ như axit olein hay axit chanh(lactic), hydroxyt tetrametylamonia hay lesiptin, cũng được cho thêm vào thành phần các chất lỏng MP để ngăn ngừa sự kết lắng các hạt. Các hệ vật liệu MP có thể được chế tạo ở dạng gel, bọt, bột, mỡ và thậm chí ở dạng các chất dẻo cứng.
Khi không có từ trường, các hạt trong chất lỏng MP phân bố hỗn loạn. Khi có từ trường các hạt được xắp xếp dọc theo các đường sức của từ trường thành các chuỗi, dường như ngược với dòng hay ngược với biến dạng trượt vuông góc với phương của từ trường và làm tăng đột ngột độ dính(hay nói chính xác hơn là làm tăng giới hạn chảy) trên phương này (hình 7). Sau khi bỏ từ trường, các chuỗi hạt bị vỡ (dưới tác động của các lực Brao ngẫu nhiên), và phục hồi lại độ dính ban đầu.
Hình 7. Các chất lỏng MP trong từ trường. Khi không có từ trường các hạt sắt từ phân bố hỗn loạn trong dầu không từ tính và tạo thành chất lỏng MP (hình trên cùng). Khi có từ trường các hạt xắp xếp dọc theo các đường sức của từ trường thành các chuỗi, làm tăng đột ngột độ dính trên phương vuông góc với phương của từ trường (hình ở dưới).
Các chất lỏng MP đã được phát minh trong những năm 1940 và đầu những năm 1950 trong Cục Tiêu chuẩn quốc gia Mỹ, Gatercberg, bang Maryland.(19) Đã nghiên cứu chế tạo thành công hàng loạt các thiết bị trên cơ sở của các chất bột khô mang từ tính, đó là các loại má phanh bằng bột ferro (sắt). Tuy nhiên, các chất lỏng MP đầu tiên và các thiết bị có thời hạn sử dụng hạn chế và không đủ ổn định và chỉ vào đầu những năm 1990 nhờ sự phát triển ngành vật liệu học và thiết bị điện tử điều khiển, thì sự quan tâm tới các vật liệu này mới tăng lên.
Các chất lỏng MP thu hút sự chú ý bằng sự độc đáo của chúng, khi có từ trường chúng tăng độ dính rất nhanh, tạo ra sự chuyến biến lập tức sang trạng thái bán cứng. Sự phục hồi độ dính ban đầu sau khi bỏ từ trường- cũng nhanh như vậy, chỉ bằng 6,5 micro giây(ms).(20) Do đó các chất lỏng MP chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống giảm sóc khác nhau. Việc sản xuất các chất lỏng MP hàng loạt được bắt đầu năm 1995 để sử dụng trong các phanh roto thuỷ lực, được đặt vào thiết bị tập luyện thể dục thể hình(aerobic). nHững thiết bị được sản xuất hàng loạt khác trên cơ sở chất lỏng MP đó là các bộ giảm sóc của hệ thống phanh hiện nay dùng cho các máy xúc loại nặng, các bộ giảm sóc điều chỉnh của các máy, tham gia trong các cuộc đua ô tô vòng xuyến, các bộ giảm sóc tuyến tính để điều khiển bước đi hiện nay, sử dụng trong công nghệ răng giả hiện đại.(21)
Một ví dụ về ứng dụng gần đây nhất đó là bộ giảm xóc thuỷ lực Motion Master trên cơ sở chất lỏng MP, được sử dụng trong dụng cụ làm chân giả Smart Magnetix (hình 8).(22) Bộ giảm sóc thuỷ lực trên cơ sở chất lỏng MP trong dụng cụ làm chân giả này thao tác nhanh gấp 20 lần so với các bộ giảm sóc cơ học hay thuỷ lực đạt trình độ kỹ thuật hiện đại trước đây . Toàn bộ thời gian thao tác xảy ra chỉ mất 40 micro gy(mc), tức là tương ứng với thời gian phản ứng đối với các tín hiệu trong đầu gối của người.(23) Công nghệ được hiện đại hoá như vậy đang giúp cho việc làm chân giả thực hiện chính xác hơn việc mô phỏng các hoạt động của con người và khiến cho nó sử dụng càng thuận tiện hơn.
Một nhóm khác của các vật liệu kích hoạt từ đó là các chất từ tính chính xác. Từ tính chính xác là tính chất của các vật liệu sắt(ferro) từ thay đổi hình dạng dưới tác động của từ trường.(24) Từ tính chính xác được phát minh năm 1842 bởi Jameson P. Joile, đã chú ý tới việc độ dài của mẫu sắt bị thay đổi sau tác động của từ trường. Bên cạnh hiệu ứng này, còn được gọi là hiệu ứng Joile, còn tồn tại hiệu ứng nghịch, có tên gọi là hiệu ứng Villary, trong đó dưới tác động của ứng suất cơ học lên vật liệu sẽ làm thay đổi từ tính của nó.
Hình 8. Khớp đầu gối nhân tạo của dụng cụ làm chân giả Smart Magnetix(Biedermann Motech) có bộ giảm sóc thuỷ lực Mortion Master trên cơ sở chất lỏng MP (LORD Corporation) (hình bên trái) và hình dạng mặt cắt giảm sóc thuỷ lực ( hình bên phải).
Những biểu hiện này làm nhớ lại các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Về bản chất thì các cơ cấu áp điện vĩ mô và từ chính xác cũng giống nhau và chúng chỉ khác nhau ở điểm là các hiệu ứng áp điện được quyết định bới tác động của điện trường tới các điện tích, tới các ngẫu điện(dipol) hay tới các đomen, trong khi đó hiệu ứng từ chính xác được tạo ra bởi tác động của từ trường tới các đomen từ – là các miền từ tính đồng nhất. Từ trường tác động lên mẫu sắt từ làm chuyển dịch các đomen từ, gây ra những thay đổi hình dạng và kích thước mẫu vĩ mô. Và ngược lại, dưới tác động của ứng suất cơ học gây ra sự chuyển dịch cơ học của các đomen từ, bằng cách đó làm thay đổi từ tính của mẫu.
Hiệu ứng từ chính xác thuận (Joile) được ứng dụng trong các thiết bị vận hành từ chính xác, còn hiệu ứng Vilary – ứng dụng trong các cảm biến từ chính xác. Trên cơ sở từ chính xác có thể tạo ra các thiết bị như các máy điện thoại trong các ống điện thoại, các ống nghe dưới nước, các cơ cấu phát siêu âm từ chính xác của các máy định vị thuỷ lực, các động cơ tuyến tính và quay và các cảm biến biến dạng khác nhau, các chuyển động, các vị trí và các lực.
IV. Các vật liệu kích hoạt hoá học: Các polyme trương nở
Về kích hoạt hoá học các vật liệu trên thực tế có thể bàn đến rất nhiều. Trong bài này chúng ta chỉ xem xét quá trình kích hoạt hoá học đối với các polyme khi tiếp xúc với các chất lỏng. Hiện tượng này khá chung và thường gặp trong cuộc sống hàng ngày, nhưng cũng khá đặc biệt và có thể lấy làm cơ sở để chế tạo các cơ cấu trên cơ sở những vật liệu thông minh, cũng bao gồm các vật liệu được sử dụng trong công nghiệp dầu khí. Trong cuộc sống hàng ngày con người phần lớn có khả năng quan sát quá trình xảy ra theo dự định hoặc ngẫu nhiên, của một trường hợp riêng như sự kích hoạt hoá học các polyme, là hiện tượng nở phình của chúng. Thí dụ, khi làm thạch đông ngọt ứng dụng khả năng của polyme gelatin nở phình trong nước, còn cafe hay trà được đổ từ chén lên các trang sách, khiến cho polyme xelulo thiên nhiên trong giấy nở phình ra. Biểu hiện tương tự của vật liệu này hay vật liệu khác kèm theo sự nở phình, có thể là rất có hại: Công ty công nghiệp chịu các tổn thất đáng kể, nếu một gioăng đệm nhỏ làm từ polyme, không còn khả năng sử dụng trong các điều kiện khai thác vận hành, thì chúng bị nở phình và bị phá hoại, gây ra rò rỉ hay những hậu quả nguy hiểm khác.
Mặt khác, từ lâu con người đã tìm ra các phương pháp ứng dụng có kiểm soát tính chất nở phình của các polyme, trong công nghiệp thực phẩm, trong y tế(các vật liệu thấm), trong các bộ đồ để thu các hoá chất khác nhau và trong xây dựng(các chất độn khác nhau). Một ví dụ hiện đại về ứng dụng tính nở phình có kiểm soát của các polyme trong y tế đó là các hệ thống cung cấp thuốc theo địa chỉ.(25)Một dạng đơn giản nhất của hệ thống này đó là bao nang mà trong ruột của nó có chứa thuốc, còn vỏ có khả năng nở phình. Vỏ được chế tạo đặc biệt sao cho khi đi vào dạ dày – ruột nó dần dần nở ra và thuốc được lan toả với tốc độ theo yêu cầu tới các vị trí cần thiết. Các bao nang được nghiên cứu chế tạo và có cấu tạo thông minh hơn – có nhiều lớp, chứa một số chất liệu thuốc, đôi khi được bố trí nhiều kênh để tạo lối ra cho các chất thuốc.
Các polyme nở phình mới bắt đầu được ứng dụng trong ngành dầu khí. Nói riêng, chúng được sử dụng trong các gói thuốc nở để cách ly các vỉa quặng và để chống nước xâm nhập vào giếng khoan một cách hiệu quả(hình 9). Để cách ly các vỉa quặng người ta thả một tập hợp các gói thuốc nhạy cảm với dầu chưa nở vào giếng khoan. Dưới tác động của dầu mỏ chúng nở ra và cách ly chặt thành vỉa quặng, tạo ra các khoảng cách ly với nhau. Để chống nước xâm nhập vào giếng khoan, người ta đặt gói polyme nhạy cảm với nước chưa nở(từng lớp hay hỗn hợp) vào giếng khoan. Khi nước xâm nhập vào giếng khoan thì gói polyme nở ra và bít kín giếng khoan tại vị trí của giếng, tạo khoảng cách ly, kết quả là giảm được thấm nước, khai thác dầu tăng lên.(26)
Hình 9. Ảnh (phía trên), sơ đồ(ở giữa) và ảnh minh hoạ sự nở của gói nở(ở dưới cùng)
Các gói nở có ưu điểm hơn so với thuốc truyền thống, chúng thường rẻ hơn và không chứa các chất gây chuyển động và không cần cơ cấu kích hoạt cơ học hay thuỷ lực. Chức năng của tất cả các linh kiện của gói nở được thực hiện bởi sự nở thể tích của một loại vật liệu polyme thông minh.
Một trong những trường hợp đầu tiên ứng dụng thành công các chất polyme gây nở có vị trí trong Chiến tranh Thế giới thứ II, khi các vật liệu cao su nở được sử dụng trong các thùng chứa nhiên liệu tự xiết chặt của các máy bay.(27) Thùng tự xiết chặt được chế tạo từ 2 lớp cao su: Lớp ngoài được làm từ cao su lưu hoá, còn lớp trong làm từ cao su không lưu hoá, nở phình khi tiếp xúc với dầu mỏ. Lớp bên trong được phủ bằng một lớp vật liệu không thấm nhiên liệu nhằm mục đích ngăn ngừa tiếp xúc của cao su không lưu hoá với nhiên liệu, khi thùng chứa còn chưa bị hư hỏng. Nếu đạn hay một vật bay nào đó xuyên thủng thùng , thì nhiên liệu chảy ra sẽ tiếp xúc với cao su không lưu hoá, cao su này nở ra và tạo thành nút bịt ngăn cách. Những thùng chứa tự xiết chặt như vậy vẫn tiếp tục được sử dụng hiện nay.
Những vật liệu cao su tự xiết chặt nêu trên có thể coi là những vật liệu đi trước trong dòng những vật liệu hiện đại tự sửa chữa. Trong những vật liệu này chất sửa chữa tạo ra một lớp tiếp giáp, còn được đưa vào các khoang chứa vi mô, ví dụ như các vi bao nang hay các vi sợi rỗng, và được phân bố đều theo vật liệu bảo vệ.(28) Trong các vật liệu polyme tự sửa chữa, chất sửa chữa về nguyên lý là chất polyme tương ứng không bị tách ra. Khi vật liệu polyme tự sửa chữa bị hư hỏng thì các vi khoang chứa này bị đứt vỡ ra và chất sửa chữa thoát ra, xâm nhập vào vùng bị hư hỏng, được polyme hoá(khi cần thiết, còn cho thêm chất xúc tác polyme hoá vào vật liệu này) và bằng cách đó sửa chữa được vùng hư hỏng(hình 10).(29) Quy trình này mô phỏng các chức năng tự sửa chữa các loại vải sinh học, phản ứng thường xảy ra trên chỗ hư hỏng là bí quyết của các chất lỏng sửa chữa. Nghiên cứu bản chất tiếp tục, một số chuyên gia đã đề xuất khâu vật liệu bằng lưới “các ống”, mà theo đó chất sửa chữa có thể chảy lưu thông theo toàn bộ vật liệu.(30)
Hình 10. Vật liệu tự sửa chữa, trong đó phân bố 200 vi bao nang, có chứa chất tự sửa chữa polyme hoá, và các hạt chất xúc tác polyme hoá. Sự hư hỏng gây ra phát sinh các vết nứt (hình trên cùng), vết nứt làm đứt các vi bao nang, giải phóng chất sửa chữa(hình giữa), chất sửa chữa tiếp xúc với chất xúc tác, được polyme hoá và hàn gắn miền hư hỏng (hình dưới cùng).
Các vật liệu tự phục hồi mới bắt đầu được sử dụng trong ngành dầu khí. Thí dụ Công ty Schlumberger gần đây đã thông báo về việc nghiên cứu triển khai thành công loại xi măng hoạt tính FUTUR, nó tự khắc phục được những vết vi nứt trong đường hầm xi măng (xem “Bảo đảm ngăn cách hiệu quả các vỉa quặng sau khi kết thúc khai thác sử dụng giếng khoan”, trang 22). Xi măng tự phục hồi FUTUR được bơm và đổ cũng giống như xi măng thường, nhưng khác ở điểm là nó chứa các thành phần chỉ phát huy tác dụng khi tham gia phản ứng với các hydro cacbua, thí dụ như với các chất được thấm qua các vi lỗ rỗng của đường hầm xi măng. Sự tiếp xúc với các hydro cacbua gây kích hoạt đường hầm xi măng FUTUR, và đường hầm này tự phục hồi trong một số giờ mà không cần tiến hành bất kỳ công tác giếng khoan nào. Như vậy là ngăn ngừa được rất nhiều các hiện tượng không mong muốn, có thể xuất hiện sau khi ninh kết xi măng, như sự chuyển động của các chất lỏng(fluid) theo không gian giữa các khoảng giếng khoan, tạo áp suất ổn định trong không gian giữa các ống trên bề mặt, sự rò rỉ qua cọc bao và các mạch ngang.(31)
Tiếp cận những vật liệu mới thông minh
Các thí dụ nêu trên về những vật liệu và các quá trình chỉ là một phần nhỏ trong thế giới các vật liệu thông minh và những ứng dụng của chúng. Số lượng các dạng vật liệu thông minh rất lớn, có thể gặp chúng ở trong các công cụ rất khác nhau: từ những máy bật lửa áp điện đơn giản đến những thiết bị siêu âm phức tạp.
Ngay cả những vật liệu đơn giản có thể làm thành vật liệu thông minh. Xi măng tự phục hồi là một ví dụ thuộc loại này , như một vật liệu thông thường phổ biến rộng rãi đã được biến đổi và tạo ra các tính chất thông minh, nhờ đó làm tăng chất lượng xi măng kết của các giếng khoan. Những ứng cử viên có triển vọng về sự biến đổi thành các vật liệu thông minh có thể ở quanh chúng ta, chỉ còn chờ đến lượt được đưa vào sử dụng trong những đề xuất độc đáo.
Việc nghiên cứu những vật liệu thông minh – là một trong những hướng mới trong hoạt động khoa học của Trung tâm nghiên cứu của Công ty Schlumberger mang tên Henry Dolla ở Cambridge, bang Massachuset, Mỹ. Nhiệm vụ thứ nhất của phương hướng này là lập và thực hiện kế hoạch hành động về nghiên cứu triển khai các thiết bị điều hành để sử dụng trong các công nghệ khác nhau khảo sát và khai thác dầu và khí.
Phần quan trọng trong thực hiện kế hoạch hành động này đó là nghiên cứu triển khai và thiết kế chế tạo các blốc bố cục tiêu chuẩn, kết hợp chúng bằng cách khác nhau có thể lắp ráp được các cơ cấu vận hành khác nhau. Những công việc này sẽ được thực hiện bằng nghiên cứu chế tạo các cơ cấu vận hành, các bộ cảm biến, các thiết bị để đo động lực và hệ thống điều khiển, các cơ cấu mới nhất khác, cũng như phân tích khả năng sử dụng các vật liệu thông minh để tạo ra các hệ thống điều hành mới.
Mặc dù các nhà vật liệu học hoàn toàn có nhiệt huyết đối với một tiềm năng lớn các vật liệu thông minh, nhưng còn ít khả năng những vật liệu này có thể thay thế cho những vật liệu hợp chuẩn đang được sử dụng hàng ngày. Phần lớn những vật liệu đó là những vật liệu kết cấu mà việc lựa chọn chúng không chỉ bởi các tính chất của chúng, mà còn vì giá rẻ và sự phổ biến của chúng. Những vật liệu thông minh cũng như các vật liệu chức năng khác, như các dây tóc vonfram trong bóng điện chẳng hạn, dây dẫn platin-rodie trong các ngẫu nhiệt và các mũi khoan kim cương, thường được sử dụng với khối lượng nhỏ. Những vật liệu này phải có những tính chất độc đáo, và trên thực tế chúng không thể thay thế bằng những chất khác được, bởi vậy vấn đề giá thành của chúng chỉ là thứ yếu. Trong nghiên cứu chế tạo thiết bị phức tạp cho ngành dầu khí, thì những vật liệu thông minh dường như hữu ích để tạo ra những công nghệ mới, làm giảm kích thước của các cơ cấu sử dụng và nâng cao sự an toàn khi sử dụng trong tất cả những điều kiện phức tạp hơn của các vỉa quặng.
ND: Đinh Bá Lô – Theo Oilfield Review số 2008 (tiếng Nga)
Nguồn Viện công nghệ khoan
Chú thích:
CQG (Crystal Quartz Gauge), FUTUR, Isolation Scannet, Q-Marine, Q-Seabet, Sonic Scanner và Sonic Vision – là những thương hiệu hàng hoá của công ty Schlumberger.
CryoFit – thương hiệu của công ty Aerofit Products Inc.
Motion Master – thương hiệu của tập đoàn Lord Corp.
Simon Nitinol Filter – thương hiệu của công ty C.R.Bard Inc.
<
p style=”text-align: justify;”>Smart Magnetix – thương hiệu của công ty Biederm ann Motech GmbH
