Hình minh họa. Nguồn: Đại học Rice

Tuy nhiên, mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã tổng hợp thành công một loại vật liệu carbon có tên “carbon vô định hình lớp đơn” (monolayer amorphous carbon, hay MAC) bền hơn graphene tám lần.

Giống như graphene, MAC cũng là vật liệu siêu mỏng, hay còn gọi là vật liệu 2D, chỉ dày bằng một lớp nguyên tử. Nhưng khác với graphene, nơi các nguyên tử carbon được sắp xếp theo cấu trúc lục giác tuần hoàn, tạo thành dàn tinh thể tổ ong, MAC là một vật liệu tổ hợp (composite), kết hợp cả vùng tinh thể và vùng vô định hình (không có trật tự sắp xếp). Chính cấu trúc hỗn hợp này đem lại cho MAC độ bền đặc trưng, gợi ý rằng phương pháp thiết kế tổ hợp có thể là một cách hiệu quả để làm cho các vật liệu 2D khó nứt vỡ hơn.

“Thiết kế độc đáo này ngăn các vết nứt lan rộng một cách dễ dàng,” Bongki Shin - nghiên cứu sinh ngành khoa học vật liệu và công nghệ nano, tác giả chính của nghiên cứu - cho biết.

Đây là tin vui cho lĩnh vực vật liệu 2D, vốn đã đem lại sự đột phá cho nhiều ngành – từ điện tử đến lưu trữ năng lượng, cảm biến, công nghệ đeo. Để đưa các tính chất phi thường của vật liệu 2D vào ứng dụng thực tế, các nhà khoa học phải khắc phục được một hạn chế của nó là độ giòn.

Để làm cho vật liệu nano 2D khó nứt vỡ hơn, có thể chọn hai phương pháp: thêm các cấu trúc nano gia cường vào màng mỏng hoặc thực hiện những chỉnh sửa bên trong lớp nguyên tử của vật liệu. MAC cung cấp một trường hợp nghiên cứu lý tưởng để thử nghiệm độ bền của các vật liệu nano tổ hợp (nanocomposites), được tạo thành từ các vùng có sắp xếp trật tự (vùng tinh thể) nhúng trong vùng nền vô định hình.

“Chúng tôi tin rằng chiến lược tăng độ bền dựa trên cấu trúc này có thể áp dụng cho các vật liệu 2D khác,” theo Jun Lou - theo giáo sư khoa học vật liệu, kỹ thuật nano và hóa học, tác giả liên hệ của nghiên cứu.

“Việc này trước đây không thực hiện được vì rất khó tạo ra và quan sát một vật liệu siêu mỏng không có trật tự ở quy mô nguyên tử,” Yimo Han - phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết. “Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano và kỹ thuật chụp ảnh siêu phân giải, chúng tôi đã tìm ra phương pháp mới để tăng độ bền của vật liệu 2D mà không cần thêm các lớp bổ sung.”

Nghiên cứu còn có sự hợp tác của các nhà khoa học ở ĐH Rice, Mỹ, và đã được công bố trên tạp chí Matter.

Nguồn: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2590238525000438