Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Vienna đã khám phá ra lý do tại sao đôi khi xảy ra những vụ nổ vi mô ngoạn mục và những lần khác, các lớp vật liệu siêu mỏng hầu như vẫn còn nguyên vẹn khi các hạt tích điện bắn xuyên qua chúng.

Có vẻ như là phép thuật khi một số vật liệu có thể chịu được việc bị bắn xuyên qua bởi các ion tích điện nhanh mà không để lại lỗ hổng sau đó. Hiện tượng này, vốn không thể xảy ra ở cấp độ vĩ mô, lại có thể xảy ra ở cấp độ từng hạt riêng lẻ. Tuy nhiên, không phải tất cả các vật liệu thể hiện hành vi này. Trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm với các kết quả khác nhau.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Công nghệ Vienna đã có thể đưa ra lời giải thích chi tiết về lý do tại sao một số vật liệu được đục lỗ trong khi những vật liệu khác thì không. Đây là mối quan tâm đặc biệt trong quá trình xử lý màng mỏng, được thiết kế để có các lỗ nano tùy chỉnh có thể bẫy, giữ hoặc cho phép các nguyên tử hoặc phân tử cụ thể đi qua.

Vật liệu siêu mỏng – graphene và các đồng loại của nó

Giáo sư Christoph Lemell của Viện Vật lý Lý thuyết tại Đại học Công nghệ Vienna cho biết: “Ngày nay, có nhiều loại vật liệu siêu mỏng chỉ bao gồm một hoặc một vài lớp nguyên tử. “Có lẽ vật liệu được biết đến nhiều nhất trong số này là graphene , một vật liệu được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon. Nhưng nghiên cứu cũng đang được thực hiện trên các vật liệu siêu mỏng khác trên khắp thế giới hiện nay, chẳng hạn như molybdenum disulfide.”

Trong nhóm nghiên cứu của Giáo sư Friedrich Aumayr tại Viện Vật lý Ứng dụng tại Đại học Công nghệ Vienna, những vật liệu như vậy bị bắn phá bằng những đường đạn rất đặc biệt – các ion tích điện cao. Chúng lấy các nguyên tử, điển hình là khí hiếm như xenon, và loại bỏ một số lượng lớn electron. Điều này tạo ra các ion có điện tích gấp 30 đến 40 lần. Các ion này được gia tốc và sau đó đập vào lớp vật liệu mỏng với năng lượng cao.

Anna Niggas, nhà vật lý thực nghiệm tại Viện Vật lý Ứng dụng cho biết: “Điều này dẫn đến các hiệu ứng hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào vật liệu. “Đôi khi đạn xuyên qua lớp vật liệu mà không có bất kỳ thay đổi đáng chú ý nào trong vật liệu. Đôi khi lớp vật chất xung quanh vị trí va chạm cũng bị phá hủy hoàn toàn, vô số nguyên tử bị đánh bật và hình thành một lỗ có đường kính vài nanomet.”

Vận tốc của các electron

Những khác biệt đáng kinh ngạc này có thể được giải thích bởi thực tế là nguyên nhân chính tạo ra các lỗ không phải là động lượng của viên đạn, mà là điện tích của nó. Khi một ion có nhiều điện tích dương chạm vào lớp vật liệu, nó sẽ hút một lượng electron lớn hơn và mang theo chúng. Điều này để lại một vùng tích điện dương trong lớp vật liệu.

Hiệu ứng này phụ thuộc vào việc các electron có thể di chuyển nhanh như thế nào trong vật liệu này. “Graphene có độ linh động điện tử cực cao. Vì vậy, điện tích dương cục bộ này có thể được cân bằng ở đó trong một thời gian ngắn. Christoph Lemell giải thích rằng các electron chỉ đơn giản là từ nơi khác chảy vào.

Tuy nhiên, trong các vật liệu khác như molybdenum disulfide, mọi thứ lại khác: Ở đó, các electron chậm hơn và chúng không thể được cung cấp kịp thời từ bên ngoài đến vị trí va chạm. Và do đó, một vụ nổ nhỏ xảy ra tại vị trí va chạm: Các nguyên tử tích điện dương, từ đó viên đạn đã lấy các electron của chúng, đẩy nhau và chúng bay đi – và điều này tạo ra một lỗ rỗng có kích thước nano.

“Hiện tại chúng tôi đã có thể phát triển một mô hình cho phép chúng tôi ước tính rất chính xác tình huống nào lỗ trống được hình thành và tình huống nào không – và điều này phụ thuộc vào độ linh động của electron trong vật liệu và trạng thái điện tích của vật phóng,” cho biết Alexander Sagar Grossek, tác giả đầu tiên của ấn phẩm trên tạp chí Nano Letters .

Mô hình cũng giải thích một thực tế đáng ngạc nhiên là các nguyên tử bị bật ra khỏi vật liệu di chuyển tương đối chậm: Tốc độ cao của viên đạn không thành vấn đề đối với chúng; chúng được loại bỏ khỏi vật liệu bằng lực đẩy điện chỉ sau khi đạn đã xuyên qua lớp vật liệu. Và trong quá trình này, không phải toàn bộ năng lượng của lực đẩy điện được chuyển đến các nguyên tử phún xạ – một phần lớn năng lượng được hấp thụ trong vật chất còn lại dưới dạng dao động hoặc nhiệt.

Cả thí nghiệm và mô phỏng đều được thực hiện tại Đại học Công nghệ Vienna. Kết quả là sự hiểu biết sâu hơn về các quá trình bề mặt nguyên tử có thể được sử dụng, ví dụ, để trang bị cụ thể cho các màng với các “lỗ nano” phù hợp. Ví dụ, người ta có thể chế tạo một “sàng lọc phân tử” hoặc giữ một số nguyên tử nhất định theo cách có kiểm soát. Thậm chí có người nghĩ đến việc sử dụng những vật liệu như vậy để lọc CO2 từ không khí.

“Thông qua những phát hiện của chúng tôi, giờ đây chúng tôi có quyền kiểm soát chính xác đối với việc thao tác vật liệu ở cấp độ nano . Điều này lần đầu tiên cung cấp một công cụ hoàn toàn mới để thao tác với các màng siêu mỏng theo cách có thể tính toán chính xác,” Alexander Sagar Grossek nói.