Titanium nặng hơn nước nhưng cấu trúc mới vẫn nổi được: Khi hình học thay đổi tính chất của vật liệu

Titanium là một kim loại nặng hơn nước khoảng 4,5 lần. Nếu thả một khối titanium đặc xuống nước, nó sẽ chìm. Nhưng các kỹ sư tại RMIT University vừa chế tạo một cấu trúc chứa titanium có thể nổi ổn định trong nước, thậm chí vẫn giữ được độ nổi sau khi bị nứt và hư hại đáng kể.

Điều này không có nghĩa titanium bỗng trở nên “nhẹ hơn nước”. Tính chất nội tại của kim loại không thay đổi. Thứ thay đổi là hình học của cấu trúc: titanium được in 3D thành một mạng các thanh rỗng, sau đó phần rỗng bên trong thanh được lấp bằng foam polyurethane có các tế bào kín chứa khí.

Kết quả là một metamaterial lai titanium–polymer dạng mạng mở có thể để nước chảy qua các khoảng trống bên ngoài nhưng vẫn giữ đủ thể tích không bị nước chiếm để tạo lực nổi. Nghiên cứu được công bố trên Advanced Materials cuối tháng 8/2026.

Tại sao titanium bình thường lại chìm?

Lực nổi tuân theo nguyên lý Archimedes: một vật chìm trong chất lỏng chịu lực đẩy bằng trọng lượng của lượng chất lỏng mà nó chiếm chỗ.

Với một khối vật liệu đặc, cách kiểm tra đơn giản là so sánh khối lượng riêng. Nước có khối lượng riêng gần 1 g/cm³, còn titanium đặc vào khoảng 4,5 g/cm³. Vì vậy, một khối titanium đặc có cùng thể tích với nước nhưng nặng hơn nhiều và sẽ chìm.

Đây là lý do tàu thép có thể nổi dù thép cũng nặng hơn nước: tàu không phải một khối thép đặc. Phần lớn thể tích của nó là không khí. Khi tính cả toàn bộ thân tàu, khối lượng riêng trung bình của hệ có thể thấp hơn nước.

Nhưng với cấu trúc lattice dạng mở, vấn đề phức tạp hơn.

Mạng kim loại rất nhẹ vẫn có thể chìm

Các mạng kim loại in 3D có thể chứa rất ít vật liệu. Theo nhóm RMIT, một số metallic lattice thậm chí có mật độ hình học nhỏ hơn một phần mười mật độ nước.

Thoạt nhìn, chúng đáng lẽ phải nổi. Nhưng các khoảng trống trong mạng là open-cell: nước có thể đi thẳng vào bên trong. Khi nước lấp đầy các lỗ rỗng, những khoảng trống này không còn đóng góp vào thể tích đẩy nước.

Nói cách khác, việc lấy tổng khối lượng chia cho toàn bộ kích thước bên ngoài của lattice có thể tạo ra một con số “mật độ trung bình” rất thấp, nhưng con số đó không mô tả đúng lực nổi nếu phần lớn thể tích rỗng bị nước chiếm.

Đây chính là vấn đề mà nhóm nghiên cứu muốn giải quyết.

Giải pháp: biến thanh titanium thành những ống rỗng chứa foam

Cấu trúc mới sử dụng hợp kim Ti‑6Al‑4V, một trong những hợp kim titanium phổ biến nhất trong hàng không, y sinh và sản xuất bồi đắp.

Thay vì in các thanh đặc, nhóm nghiên cứu dùng laser powder bed fusion để tạo ra một lattice gồm các hollow struts – những thanh titanium rỗng và liên thông với nhau.

Sau đó, foam polyurethane có khả năng giãn nở được bơm vào các kênh bên trong những thanh này.

Điểm thiết kế rất quan trọng là foam không lấp toàn bộ các lỗ lớn của mạng. Các khoảng trống bên ngoài vẫn mở để nước chảy qua. Foam chỉ nằm trong ruột của các thanh titanium rỗng.

Các tế bào kín rất nhỏ trong foam giữ khí và ngăn nước xâm nhập hoàn toàn vào bên trong thanh. Nhờ đó, một phần thể tích của cấu trúc luôn loại nước ra ngoài và đóng góp vào lực nổi.

“Skeletal density”: cách tính mật độ phù hợp hơn

Để mô tả hiện tượng này, nhóm nghiên cứu đề xuất một đại lượng gọi là skeletal density, có thể hiểu là mật độ của phần “khung xương” thực sự loại nước khỏi cấu trúc.

Thay vì tính tất cả khoảng rỗng của lattice như thể chúng tạo lực nổi, skeletal density chỉ xét những phần mà chất lỏng không thể chiếm chỗ: thành titanium và các kênh kín chứa foam.

Nếu mật độ của phần skeleton này thấp hơn mật độ của chất lỏng xung quanh, cấu trúc có thể nổi ngay cả khi nước đi tự do qua các lỗ mở bên ngoài.

Trong nghiên cứu, kiến trúc titanium–polymer đạt skeletal density thấp hơn 1,0 g/cm³. Đây là điều kiện giúp nó nổi trong nước.

Điểm quan trọng là không hề có định luật vật lý nào bị phá vỡ. Titanium vẫn có mật độ cao như trước. Chỉ có cách phân bố titanium, polymer, khí và không gian được thiết kế lại.

Hình học có thể tạo ra một “vật liệu mới” về mặt chức năng

Đây là một ví dụ điển hình của metamaterial.

Trong vật liệu truyền thống, ta thường suy nghĩ theo hướng: chọn một chất có độ cứng, mật độ, độ dẫn nhiệt hay tính từ phù hợp. Với metamaterial, các kỹ sư thêm một lớp thiết kế nữa: hình học ở cấp vi mô hoặc meso.

Khi cấu trúc được thiết kế đúng, toàn hệ có thể biểu hiện những tính chất mà vật liệu thành phần riêng lẻ không có.

Ví dụ, cùng là titanium nhưng:

• một khối đặc sẽ chìm;
• một lattice open-cell quá đơn giản vẫn có thể chìm vì nước tràn vào;
• một lattice với hollow struts và foam kín bên trong có thể nổi.

Vật liệu hóa học gần như không đổi, nhưng topology của cấu trúc làm thay đổi hành vi ở cấp hệ thống.

Nó vẫn nổi ngay cả khi bị nứt

Một trong những điểm hấp dẫn nhất của thiết kế là khả năng duy trì lực nổi sau hư hỏng.

Các vật thể nổi kiểu rỗng truyền thống – ví dụ một thùng kim loại kín – phụ thuộc vào một khoang khí lớn. Nếu vỏ bị thủng, nước có thể tràn vào nhanh và làm toàn bộ hệ mất lực nổi.

Trong cấu trúc RMIT, khí được phân tán trong rất nhiều tế bào foam nhỏ nằm dọc theo mạng thanh rỗng.

Vì vậy, một vết nứt tại một vị trí không nhất thiết khiến toàn bộ lượng khí thoát ra hoặc toàn bộ cấu trúc bị ngập nước. Foam hoạt động như một hệ thống nhiều khoang kín phân tán.

Thí nghiệm cho thấy lattice vẫn nổi sau các dạng hư hỏng đáng kể, bao gồm nứt, hỏng tại các điểm nối và thậm chí gãy cả một lớp lattice. Nó chỉ chìm sau khi bị nghiền và nén rất mạnh.

Thử nghiệm nổi hơn hai tháng

Theo RMIT, các mẫu đã được kiểm tra khả năng nổi liên tục trong nước ngọt hơn hai tháng.

Nhóm cũng chế tạo một prototype phao biển bằng cấu trúc hybrid này và thử nghiệm trong bể nước biển mô phỏng điều kiện dao động. Phao vẫn ổn định khi bể bị nghiêng tới khoảng 45 độ mà không cần vỏ kín, lớp phủ chống nước hay vật liệu nổi bổ sung bên ngoài.

Đây là minh chứng quan trọng vì mục tiêu cuối cùng của nhóm không chỉ là làm một mẫu kim loại nhỏ “nổi cho vui”, mà là hướng tới cấu trúc kỹ thuật dùng trong môi trường biển.

Mạnh hơn vật liệu nổi truyền thống ở cùng mật độ

Khả năng nổi không phải ưu điểm duy nhất.

Khi so sánh ở cùng mật độ tổng thể, nhóm nghiên cứu cho biết cấu trúc titanium hybrid có độ bền cao hơn khoảng 70% so với thép không gỉ hoặc polyethylene mật độ cao – hai nhóm vật liệu thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng hải.

Cấu trúc cũng trải qua thử nghiệm ngâm trong nước biển tự nhiên lấy từ Port Phillip Bay ở Melbourne. Sau hai tuần, mẫu mất khoảng 0,15% khối lượng, trong khi độ bền suy giảm dưới 1%.

Đây mới là thử nghiệm ăn mòn ngắn hạn, vì vậy chưa thể kết luận vật liệu đã sẵn sàng hoạt động nhiều năm ngoài đại dương. Nhưng kết quả ban đầu cho thấy sự kết hợp giữa titanium và polymer có thể phù hợp cho các cấu trúc cần đồng thời nhẹ, bền và chống ăn mòn.

Ứng dụng đầu tiên: phao, cảm biến và hạ tầng biển

Nhóm RMIT nhắm tới những ứng dụng như:

• phao và thiết bị định vị;
• cảm biến nổi ngoài biển;
• cầu cảng và kết cấu nổi;
• thiết bị hoạt động ở môi trường nước sâu;
• các hệ thống cần duy trì lực nổi ngay cả sau khi bị va đập.

So với nhựa HDPE, titanium có độ bền và độ cứng cao hơn nhiều. So với kết cấu thép kín, lattice hybrid có thể giảm khối lượng và phân tán khả năng nổi trên toàn cấu trúc thay vì phụ thuộc vào một khoang khí duy nhất.

Tuy nhiên, chi phí sản xuất titanium bằng laser powder bed fusion hiện vẫn cao hơn đáng kể so với nhựa hoặc thép sản xuất hàng loạt. Vì vậy, những ứng dụng đầu tiên nhiều khả năng sẽ nằm ở các lĩnh vực mà độ bền, khả năng chống ăn mòn và độ an toàn sau hư hỏng quan trọng hơn giá vật liệu.

Ý nghĩa rộng hơn: mật độ không chỉ là con số của vật liệu

Công trình này minh họa một thay đổi quan trọng trong khoa học vật liệu hiện đại.

Trong sách giáo khoa, mỗi vật liệu thường được gắn với một bảng tính chất: mật độ, modulus đàn hồi, độ dẫn nhiệt, điểm nóng chảy và độ dẫn điện. Những đại lượng đó vẫn quan trọng, nhưng chúng không phải giới hạn cuối cùng của thiết kế kỹ thuật.

Khi sản xuất bồi đắp cho phép kiểm soát cấu trúc 3D ở kích thước ngày càng nhỏ, kỹ sư có thể coi hình học như một biến vật liệu.

Một cấu trúc có thể được thiết kế để vừa nhẹ vừa cứng, hấp thụ xung lực theo một hướng nhưng dẫn nhiệt theo hướng khác, hoặc – như trong nghiên cứu này – được làm từ kim loại nặng hơn nước nhưng vẫn nổi.

Không phải “titanium nổi”, mà là kiến trúc titanium nổi

Đây cũng là điểm cần làm rõ khi đọc những tiêu đề như “các nhà khoa học tạo ra titanium nổi trên nước”.

Titanium đặc vẫn chìm. Nhóm nghiên cứu không thay đổi nguyên tử titanium để làm chúng nhẹ hơn và cũng không tạo ra một pha titanium mới có mật độ thấp hơn nước.

Họ thiết kế một hệ gồm titanium, polymer, khí và các khoảng rỗng sao cho phần thể tích loại nước đủ lớn để lực nổi thắng trọng lượng.

Vì vậy, phát hiện thực sự thú vị không phải là “đánh bại trọng lực”, mà là một nguyên tắc kỹ thuật sâu hơn: tính chất của một cấu trúc không chỉ do vật liệu cấu thành quyết định; hình học cũng có thể trở thành một phần của vật liệu.

Bước tiếp theo

Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo là mở rộng kích thước các mẫu thử và kiểm tra hiệu năng dài hạn trong điều kiện biển thực tế, bao gồm môi trường nước sâu.

Kiến trúc này cũng có thể được điều chỉnh bằng cách thay vật liệu bên trong khung titanium. Theo nhóm RMIT, các biến thể tương tự có thể được thiết kế cho hấp thụ năng lượng, quản lý nhiệt, kiểm soát rung động và nhiều chức năng khác.

Nếu hướng tiếp cận này được chứng minh ở quy mô lớn, câu chuyện “titanium nổi trên nước” có thể chỉ là một ví dụ nhỏ của xu hướng rộng hơn: thay vì chỉ phát minh vật liệu mới, chúng ta đang học cách lập trình tính chất vật liệu bằng hình học.

Nguồn tham khảo

• RMIT University: Engineers create a world-first in floating titanium, 3/9/2026.
• Advanced Materials: Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials, 28/8/2026.

Ảnh: mẫu cấu trúc titanium nổi trong thử nghiệm. Credit: Sara Tan / RMIT University.