Tìm ra bí mật của thép Damascus

Bài viết nói về loại thép này dưới khía cạnh khoa học 

Các lưỡi kiếm làm bằng thép Damascus của các chiến binh vùng Trung Đông đã đem cho  quân Thập Tự nỗi sợ hãi – tuy nhiên phương pháp chế các lưỡi kiếm có độ bén khủng khiếp này đã thất truyền hàng trăm năm nay rồi. Các nhà nghiên cứu Đức tin rằng họ đang tìm lại được bí mật này. 
Khi quân Thập Tự đầu tiên vào cuối thế kỷ thứ 11 tiến vào vùng Trung Đông, họ đã phải trải qua những kinh nghiệm khủng khiếp. Vũ khí (đao kiếm) của địch có lợi thế hơn những thứ mà người Âu Châu biết cho đến thời điểm này. Đao, kiếm có những đường vân trên thép không chỉ  dẻo dai hơn, chắc hơn đao kiếm của người Thiên Chúa Giáo mà còn có độ bén dài lâu hơn.
Bí mật của những thanh đao kiếm này là chất liệu thép Damascus, gọi theo tên thành phố Damascus tại Syria, là trung tâm lớn buôn bán tất cả các loại vũ khí vào thời điểm đó. Tuy nhiên phương pháp tôi rèn thép  nổi tiếng này  không bắt nguồn từ Damascus mà lại từ Ấn Độ và đã thất truyền kể từ cuối thế kỷ thứ 18.
 
"Cho đến ngày nay người ta không thể lập lại cách tôi luyện này theo đúng cách như ngày xưa" Peter Paufler, giảng viên đại học tại đại học kỹ thuật Dresden nói. Hiện nay, cùng với các cộng sự, ông có thể đã tìm ra nguyên nhân khiến các lưỡi kiếm Damascus có các đặc tính vượt trội đó. Kết quả thất đáng kinh ngạc: Đó là công nghệ Nano của thời Trung Cổ. 

Theo nhà nghiên cứu chất liệu John Verhoeven của đại học Iowa  tại Ames  cũng như các  chuyên gia kỹ thuật đúc thép vào năm 2001 họ đã sản xuất được thép Damascus theo cách cổ truyền, qua các thí nghiệm với nhiều loại thép và các phụ gia khác nhau. Tuy nhiên với câu hỏi tại sao các lưỡi kiếm rất dẻo và đồng thời lại rất bén thì họ không thể trả lời được 

Lưỡi kiếm tự làm bén

Các nhà nghiên cứu tại Dresden, theo họ công bố , lần đầu tiên dùng kính hiển vi electron để phân tích lưỡi kiếm. Mẫu vật là một thanh kiếm được người thợ rèn tên Assad Ullah sản xuất vào thế kỷ thứ 17. Họ dùng Acid HCl để làm tan thép sau đó đem phân tích. Kết quả phân tích trong thép không chỉ có các sợi từ sắt carbide, còn gọi là cementite mà còn có các sợi nano carbon tube 
Cementite tan ra trong acid HCl, carbon thì không. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu cũng tìm ra các sợi cementite chưa tan ra hoàn toàn và còn sót lại. Việc này người ta phỏng đoán là các sợi cementite được gói gọn trong các ống carbon tubes và qua đó được bảo vệ kỹ. Ngoài ra các ống carbon, Carbon tubes cũng là khởi đầu khiến  các sợi nano Cementite bên trong hình thành. 
Các sợi li ti, rất cứng này khiến cho dao kiếm Damascus không chỉ đẹp bởi các đường vân mà còn rất bén, theo Paufler. Cementite cứng hơn chất liệu đang bao bọc chúng, nhà vật lý học giải thích. Khi dùng  mòn trên thanh kiếm sẽ còn lại các răng li ti trên lưỡi, khiến lưỡi kiếm bén một cách tự nhiên mà không phải mài , rất hiệu quả. 

 
Cưa, không phải cắt 

Người ta có thể nói rằng , lưỡi dao , kiếm làm từ  thép Damascus , ở cấp độ Nano thì cưa nhiều hơn là cắt. Theo truyền thuyết , lưỡi kiếm có thể cắt đôi chiếc khăn lụa bay trong không khí  không là một việc ngoa cho lắm. Sự phối hợp giữa các sợi Cementite cứng chắc và khối thép dẻo khiến lưỡi kiếm Damascus vừa dẻo vừa cứng. 
Phương pháp tôi rèn thép của người Ả Rập vào thời trung cổ dựa trên căn bản xử lý thép bằng cơ nhiệt khá rắc rối. Thép được nung lên nhiệt độ nhất định, rèn cho nguội rồi lập tức nung nóng lên tiếp. “Qui trình kéo dài nhiều tiếng đồng hồ, đôi khi đến vài ngày” theo Paufler trong một cuộc nói chuyện với báo Spiegel Online. 
Qui trình tôi luyện này đã khiến cho các nano carbon tubes hình thành với sự hỗ trợ của các chất xúc tác, nói khác đi là tùy thuộc vào thành phần trong thép. Là nguyên liệu dùng chế ra dao kiếm Damascus, người ta dùng khối sắt có tên là Wootz, một khối thép có hình dạng  như miếng bánh ngọt được nhập khẩu từ Ấn Độ. Khôi thép này không chỉ có hàm lượng carbon khoảng 1.5% , mà còn có các thành phần như Chrom, Vandium, Manganese, Cobalt, Nickel. Các thành phần này , theo các nhà hóa học thời nay , tạo điều kiện cho việc hình thành các sợi Cementite cứng chắc. 

Tùy thuộc vào thành phần

Dù vậy, quá nhiều Cementite hoặc quá nhiều Carbon sẽ khiến thép dòn và dễ mẻ. Việc này bắt buộc người ta phải cẩn thận hơn và tôi luyện các lưỡi dao, kiếm Damascus trong một thời gian dài. Ngoài ra, gỗ cũng như một số loại lá cây dùng đốt lửa cũng như  quặng sắt từ  một số mỏ từ Ấn Độ  là những nguyên liệu tất yếu để sản xuất dao kiếm Damascus theo công thức cổ truyền, theo các nhà khoa học trong báo cáo về cách sản xuất Wootz. 
Nguồn nguyên liệu  quặng này đã biến mất kể từ thế kỷ thứ 18. Các thợ rèn vũ khí không biết về tầm quan trọng của các thành phần đã không còn đủ khả năng sản xuất vũ khí theo công thức cũ. Ngoài ra, việc giữ nhiệt độ ở độ cao nhất định cũng là yếu tố quan trọng Nhiệt độ chính xác của ngày xưa hiện nay không ai biết, Paufler nói. Rất có thể các thợ rèn đã theo dõi màu của thép khi đang được nung nóng.

Các thợ rèn tại Âu Châu đã không làm được việc này. Thay vì sản xuất thép Damascus theo phương pháp hóa học, như các thợ rèn phương đông thường làm, họ đã làm theo một cách  rất tùy tiện: dùng thép cứng, dòn phối hợp với thép dẻo, qua cách xoắn vặn với hàng trăm lần đập mỏng rồi xếp lại.

Họ có thể sản xuất ra lưỡi dao , lưỡi kiếm tương đối tốt , nhưng thực sự không phải là thép Damascus như ngày xưa.
Tại sao xài chảo sắt, hoặc tại sao không xài chảo sắt ?