Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Zhang Hao (Đại học Osaka)
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Vào tối ngày 23 tháng 8, Zhu Xueying, nhà vô địch bộ môn bạt lò xo nữ tại Thế vận hội Tokyo, đã đặt câu hỏi trên một nền tảng mạng xã hội: "Huy chương của bạn... cũng có thể lột ra được không?"
Huy chương vàng nói trên có một vùng bong tróc rõ ràng ở phía trên bên trái (Nguồn ảnh: Weibo của Zhu Xueying)
Bức ảnh đi kèm là tấm huy chương vàng mà cô giành được tại Thế vận hội Tokyo. Trên huy chương vàng có một vùng "da trọc" có kích thước bằng đồng xu mười xu, rất dễ thấy bằng mắt thường. Chu Tuyết Anh giải thích rằng cô không cố ý làm xước huy chương vàng, mà là vì cô phát hiện huy chương bị mất một mảnh nhỏ, cô nghĩ là nó bẩn nên đã dùng tay chà xát nhưng vẫn không có gì thay đổi, vì vậy cô đã chà xát lại, không ngờ lớp da lại bong ra.
Hôm nay chúng ta sẽ không bàn quá nhiều về lý do tại sao huy chương vàng lại có "lớp da trọc", mà chủ yếu nói về quy trình sản xuất huy chương vàng Olympic Tokyo.
Huy chương được làm từ vật liệu tái chế từ hàng ngàn hộ gia đình
Theo thông tin công khai từ Ủy ban tổ chức Olympic Tokyo, ba kim loại vàng, bạc và đồng được sử dụng trong huy chương Olympic Tokyo đều được chiết xuất từ điện thoại di động và các thiết bị điện tử khác đã qua sử dụng.
Từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 3 năm 2019, Ủy ban tổ chức Olympic Tokyo đã phát động chiến dịch trên khắp Nhật Bản mang tên "Sản xuất tại các mỏ đô thị, huy chương cho mọi người". Chiến dịch đã tái chế gần 80.000 tấn đồ gia dụng nhỏ. Cuối cùng, dự án đã giành được 32 kg vàng, 3.500 kg bạc và 2.200 kg đồng, đáp ứng nhu cầu 5.000 huy chương cho Thế vận hội Olympic và Paralympic.
Điện thoại di động đã qua sử dụng (Nguồn ảnh: twenty20.com)
Các kim loại thu được sẽ được làm sạch và tinh chế, sau đó được khử thành dạng nguyên liệu thô cơ bản, rồi được cắt bằng máy thành những mảnh có kích thước gần bằng huy chương cuối cùng.
Sau đó, phương pháp ép lạnh được sử dụng để tạo hình ảnh nữ thần chiến thắng Nike và các vòng tròn Olympic ở cả hai mặt của huy chương.
Huy chương bạc Olympic được làm bằng bạc nguyên chất, huy chương đồng được làm bằng đồng (95% đồng, 5% thiếc), và huy chương vàng được làm bằng bạc làm đế với một lớp mạ vàng trên bề mặt. Trọng lượng của lớp mạ vàng này là 6 gram. Sự khác biệt trong quá trình chế tạo huy chương cũng dẫn đến các quy trình khác nhau cho huy chương bạc, đồng và vàng.
Huy chương bạc và đồng chỉ cần xử lý nhiệt và đánh bóng bề mặt sau quá trình ép lạnh trước khi có thể xuất xưởng dưới dạng sản phẩm hoàn thiện. Huy chương vàng là loại huy chương đặc biệt và đòi hỏi phải mạ thêm một lớp nữa ở phần đế.
Đồ thủ công làm từ linh kiện điện tử phế thải (Nguồn ảnh: twenty20.com)
Có bao nhiêu cách để mạ vàng huy chương?
Có nhiều công nghệ cho phép một lớp kim loại bám dính vào bề mặt khác. Hai phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là mạ điện và mạ hóa học. Ngoài ra, phương pháp phún xạ magnetron cũng là một phương pháp phổ biến.
Mạ điện là việc sử dụng dòng điện để đưa các ion kim loại trong dung dịch bám dính vào bề mặt mà bạn muốn mạ. Trước khi mạ, bề mặt vật liệu nền cần trải qua nhiều quy trình làm sạch để loại bỏ tạp chất như dầu và oxit trên bề mặt.
Trước khi thực sự đưa vào bể mạ điện cuối cùng, bề mặt kim loại nền phải được làm sạch hoàn toàn. Trong quá trình này, các nguyên tử nền mới tiếp xúc trên bề mặt có hoạt tính cao và cần kết hợp khẩn cấp với các chất khác để giảm năng lượng bề mặt, vì chỉ bằng cách này, chúng mới có thể đạt đến trạng thái ổn định hơn. Lúc này, dòng điện đẩy các ion kim loại không đồng nhất trong dung dịch lên bề mặt của chất nền, tại đây chúng bị khử thành một chất duy nhất và cũng có thể kết hợp chặt chẽ với kim loại của chất nền. Nói một cách dễ hiểu, quá trình mạ điện có thể được hiểu là quá trình cho phép hai kim loại phát triển cùng nhau.
Hạn chế lớn nhất của phương pháp mạ điện là chất nền phải có khả năng dẫn điện. Thứ hai, sự kết hợp lớp phủ/lớp nền có thể đạt được bằng phương pháp mạ điện thực sự bị hạn chế và nhiều kim loại không thể mạ được bằng phương pháp mạ điện. Ngoài ra, nhiều kim loại chỉ có thể được mạ trên các bề mặt kim loại cụ thể tương thích với chúng. Nếu thay đổi chất nền, hiệu quả sẽ giảm đi đáng kể.
Bộ đồ ăn mạ crom có thể giữ được độ sáng bóng trong thời gian dài (Nguồn ảnh: twenty20.com)
Mạ hóa học không chỉ giới hạn ở vật liệu của chất nền. Mạ hóa học cũng là phương pháp mạ kim loại thường được sử dụng trong công nghiệp. Chỉ cần chất nền được ngâm trong dung dịch chứa các ion của nguyên tố mạ, trong điều kiện phản ứng cụ thể, các ion sẽ được lắng đọng trên bề mặt chất nền. Điều này khác với mạ điện và mạ hóa học không cần sử dụng dòng điện.
Ví dụ, khi ta nhúng một thanh sắt vào dung dịch đồng sunfat, các ion đồng sẽ kết tủa trên bề mặt của sắt, trong khi sắt sẽ đi vào dung dịch dưới dạng các ion. Sau một thời gian, một lớp đồng đồng nhất sẽ hình thành trên bề mặt thanh sắt.
Ngoài ra, phản ứng gương bạc cũng có thể được coi là một phương pháp mạ hóa học.
Ưu điểm lớn nhất của mạ hóa học là chất nền không cần phải dẫn điện để mạ. Ví dụ, nhựa, thủy tinh và thậm chí cả tấm silicon đều có thể được mạ hóa học để tạo thành lớp phủ dày đặc trên chúng. Ví dụ, nếu bạn muốn mạ điện một lớp trang trí mạ crôm sáng trên bề mặt nhựa, trước tiên bạn chỉ có thể sử dụng phương pháp mạ hóa học để mạ một lớp kim loại trên bề mặt nhựa, như vậy mới có thể tiến hành mạ điện trên cơ sở này.
Các bộ phận mạ niken được xử lý bằng phương pháp mạ hóa học (Nguồn ảnh: AliceLr)
Nhiều loại lớp phủ có thể được thực hiện bằng phương pháp hóa học hoặc mạ điện. Ví dụ, mạ bạc và vàng có thể được thực hiện bằng hai phương pháp trên. Tuy nhiên, tính chất của lớp phủ mạ hóa học và mạ điện vẫn có sự khác biệt lớn, các điều kiện quy trình cụ thể sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất của lớp phủ.
So với mạ hóa học, ưu điểm lớn nhất của mạ điện là hiệu quả cao và lớp phủ có thể phát triển rất nhanh. Tuy nhiên, mạ hóa học phải kiểm soát được tốc độ phản ứng và không được quá nhanh, nếu không sẽ xảy ra nhiều lỗi mạ khác nhau.
Bo mạch tích hợp thường phải được mạ bạc hoặc mạ vàng, nhưng bo mạch tích hợp thường được làm bằng nhựa và không thể dẫn điện. Do đó, trước tiên nhà máy sẽ dùng phương pháp mạ hóa học để mạ một lớp paladi vào những vị trí cần mạ trên bảng mạch. Lớp paladi này có thể chỉ dày vài chục nanomet. Chúng được sắp xếp chặt chẽ và có độ bền cao. Chúng có thể cung cấp lớp dẫn điện cho quá trình mạ điện tiếp theo. Do đó, chúng ta thường gọi lớp palađi này là lớp hạt giống. Với lớp hạt giống, quá trình mạ vàng hoặc mạ bạc tiếp theo có thể được thực hiện.
Nhân tiện, tại sao lại cần một lượng lớn vật liệu vàng, bạc và đồng trên các bảng mạch?
Trước hết, vàng có thể đóng vai trò chống oxy hóa tốt. Trong quá trình hàn ở nhiệt độ cao, có thể thấm tốt chất hàn lỏng để có được mối hàn chất lượng cao.
Bạc là kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cực cao nên thường được dùng làm dây dẫn và đầu nối trong bảng mạch.
Đồng tương đối rẻ và có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nên thường được dùng làm chất nền cho các bộ phận dẫn điện của bảng mạch. Đây cũng chính là lý do tại sao số lượng lớn điện thoại di động đã qua sử dụng được tái chế tại Thế vận hội Tokyo có thể được tinh chế thành kim loại quý cần thiết để làm huy chương.
Bảng mạch chứa rất nhiều vàng, bạc và đồng (Nguồn ảnh: twenty20.com)
Phun xạ magnetron là lựa chọn duy nhất để sản xuất lớp phủ có độ tinh khiết cao. Nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron khác với phương pháp mạ điện và mạ hóa học. Phun xạ magnetron là phương pháp sử dụng trường điện áp cao để ion hóa các nguyên tử trên bề mặt vật liệu mục tiêu và bắn phá bề mặt của chất nền cần phủ dưới dạng plasma, do đó tạo thành lớp phủ bám chặt vào chất nền.
Nếu chúng ta muốn mạ vàng trên đĩa bạc, chúng ta sử dụng vàng làm mục tiêu. So với phương pháp mạ điện, ưu điểm của phương pháp phún xạ magnetron là độ tinh khiết của nó rất cao. Các mục tiêu kim loại đều là kim loại có độ tinh khiết cao và quá trình này được thực hiện trong buồng chân không cao, hầu như không đưa tạp chất vào.
Nhưng mạ điện thì khác. Môi trường bể mạ rất phức tạp, là hệ thống hỗn hợp của nhiều loại muối vô cơ và chất hữu cơ. Lớp phủ thường chứa một lượng lớn tạp chất. Những tạp chất này sẽ hòa lẫn vào lớp phủ trong quá trình mạ và không thể loại bỏ được.
Phương pháp phún xạ magnetron có một ưu điểm khác: không giống như phương pháp mạ điện, phương pháp này có nhiều sự kết hợp không khả thi. Về cơ bản, chỉ cần vật liệu có thể chế tạo thành vật liệu mục tiêu thì có thể mạ tốt trên nền và điều kiện kết hợp các loại kim loại cũng không quá khắc nghiệt.
Tất nhiên, điều kiện phản ứng thì ngược lại. Phương pháp phún xạ magnetron đòi hỏi môi trường chân không cao và chi phí rõ ràng cao hơn nhiều so với phương pháp mạ điện. Bể mạ có thể dài hàng chục mét và rộng vài mét, nhưng buồng phun magnetron bị giới hạn bởi mức chân không và khó có thể làm cho nó lớn như vậy. Ngay cả khoang chứa của thiết bị công nghiệp cũng chỉ có kích thước bằng lồng giặt của máy giặt.
Phun xạ magnetron. Ánh sáng màu tím trong hình là plasma phía trên mục tiêu (Nguồn ảnh: do tác giả chụp)
Tại sao tôi nghĩ rằng huy chương vàng tại Thế vận hội Tokyo được làm bằng công nghệ "mạ điện"?
Vì có ít nhất ba phương pháp, vậy Thế vận hội Tokyo đã sử dụng phương pháp nào để dát vàng huy chương bạc?
Sau khi phân tích, tôi nghĩ nó phải là "mạ điện".
Tại sao bạn lại nói thế?
Lượng vàng mạ trên huy chương vàng của kỳ Olympic này là 6 gram (theo quy định của IOC về tiêu chuẩn huy chương vàng). Khối lượng riêng của vàng là 19,32 gam trên một centimet khối. Dựa vào đó, ta có thể tính được tổng thể tích của lớp mạ vàng là 0,31 cm khối. Kích thước huy chương là đường kính 8,5 cm, tổng diện tích hai mặt huy chương là 113,43 cm2. Do đó, độ dày trung bình của lớp mạ vàng là khoảng 27 micron.
Con số này có vẻ không lớn, nhưng thực tế nó vượt quá giới hạn xử lý của phương pháp mạ hóa học và phun magnetron, vì tốc độ phát triển lớp phủ của hai phương pháp này chỉ khoảng 1 micron mỗi giờ. Việc mạ điện một lớp phủ 27 micron chỉ mất vài chục phút để hoàn thành, có lợi thế về hiệu quả sản xuất và chi phí thấp nhất so với hai phương pháp còn lại.
Sau “sự cố da trọc huy chương vàng”, tác giả nhận thấy qua những phân tích và tính toán trên, quy trình phủ lớp dùng cho huy chương vàng của Olympic Tokyo chỉ có thể là mạ điện.
Điều này cũng được chứng minh bằng bằng chứng trong video quảng cáo do Ủy ban Olympic công bố.
Quá trình mạ điện của huy chương vàng (lưu ý ba điểm tiếp xúc hiện tại) (Nguồn ảnh: Youtube chính thức của IOC)
Cho dù là mạ điện, mạ hóa học hay phun magnetron, tất cả đều là những công nghệ phủ kim loại tiên tiến mà con người đã sử dụng trong nhiều năm. Chỉ cần luồng quy trình đủ mạnh thì nhìn chung sẽ không xảy ra hiện tượng phủ kém. Trong hầu hết các trường hợp, các mối nối của lớp phủ đều cực kỳ chắc chắn. Ngay cả khi giao diện bị vỡ, thì thường thì nó sẽ xảy ra ở mặt gần lớp kim loại chứ không phải bong ra dọc theo toàn bộ giao diện.
Mạ vàng trên bạc là một trong những phương pháp mạ điện lâu đời nhất. Điều này là do vàng là kim loại quý hiếm có tính chất ổn định và có xu hướng bị khử trong dung dịch điện phân. Mặt khác, bạc và vàng có cấu trúc tinh thể và kích thước nguyên tử tương tự nhau, do đó chúng có thể "hòa tan cùng nhau".
Trên thực tế, tỷ lệ thành phần của hợp kim vàng-bạc có thể dao động từ 1% đến 100%, một hiện tượng được gọi là dung dịch rắn vô hạn. Theo nghĩa này, việc mạ vàng lên bề mặt bạc không phải là một quá trình khó khăn. Tuy nhiên, vì đây là một quá trình nên chắc chắn có vấn đề về tính hợp lý của việc thiết lập thông số và năng suất.
Bất kể nguyên nhân của sự cố này là gì, với tư cách là một người làm việc trong ngành sản xuất, tôi muốn nói với bản thân và các đồng nghiệp rằng chỉ bằng cách nâng cao nhận thức về chất lượng, chúng ta mới có thể cung cấp những sản phẩm có thể tồn tại lâu dài.
