Không phải graphene, borophene mới là vật liệu kỳ diệu của tương lai, con cưng mới của giới khoa học

Graphene là một tấm carbon cực bền chắc, độ dày tính bằng đường kính nguyên tử, có khả năng “biến hóa” thành những hình dạng khác nhau và có thể dẫn điện. Những khả năng này khiến graphene được giới khoa học thế giới vinh danh là vật liệu kỳ diệu của tương lai, có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho những bộ vi xử lý máy tính. Để kích cầu ngành công nghiệp graphene phát triển, liên minh EU đã mạnh tay chi tận 1 tỷ euro.

Tuy giấc mơ graphene chưa thành sự thật nhưng nó cũng giúp các nhà khoa học tìm ra những vật chất mới. Nổi bật nhất là borophene, một lớp nguyên tử bo mỏng có thể được xếp thành nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau, có thể ứng dụng vào nhiều ngành, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau.

Một khối borophene.

Các nhà điện hóa học cho rằng, sử dụng borophene trong sản xuất anode có thể tạo ra được pin lithium-ion thế hệ mới. Trong khi đó, các nhà vật lý học đang thử nghiệm sử dụng borophene để tìm kiếm nhiều loại nguyên tử và phân tử.

Từ thập niên 90, các nhà vật lý học đã dự đoán được sự tồn tại của borophene thông qua một chương trình giả lập cách nguyên tử bo hợp lại thành một lớp bo mỏng.

Đến năm 2015, bằng cách phả khí gas nóng đậm đặc các phân tử bo vào một bề mặt lạnh làm từ thép nguyên chất, các nhà khoa học đã tổng hợp được borophene.

Nguyên tử bo bị ép theo các sắp xếp của các nguyên tử sắt, cứ 6 nguyên tử bo ghép lại với nhau thành một hình lục giác. Tuy nhiên, một phần lớn các nguyên tử bo lại có cấu trúc khác, đặc biệt hơn, chỉ 4 hoặc 5 nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành lỗ hổng trong cấu trúc lục giác. Chính lỗ hổng đó khiến borophene trở nên đặc biệt.

Borophene là sản phẩm nhân tạo, nên các nhà khoa học đã tiến hành nhiều thử nghiệm khác nhau để cho nó có thêm những đặc tính riêng. Từ những thử nghiệm đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng borophene còn rắn chắc và linh hoạt hơn cả graphene. Ngoài ra, borophene còn có đặc tính siêu dẫn, có thể truyền dẫn điện và nhiệt rất tốt.

Chính các khoảng trống trong cấu trúc borophene đã tạo nên những đặc tính trên. Thay đổi khoảng trống là thay đổi được đặc tính.

Ngoài những đặc tính trên, borophene còn rất nhẹ và phản ứng tốt với nhiều loại chất. Do vậy, các nhà khoa học coi borophene là ứng cử viên cho việc lưu trữ ion có trong pin.

Borophene cũng có thể trở thành công cụ lưu trữ hydro hiệu quả bởi nguyên tử hydro có thể bám dễ dàng lên cấu trúc borophene. Những nghiên cứu mang tính giả thuyết cho thấy borophene vượt trội hơn so với bất kỳ vật liệu nào khác về khả năng chứa được lượng hydro, với số lượng lên tới 15% khối lượng bản thân của nó.

Một khả năng nữa của borophene là xúc tác, phân tách được nguyên tử hydro thành ion hydro, phân tách nước thành ion của hydro và oxy. Điều này khiến cho borophene có thể được sử dụng để tạo năng lượng từ nước với hiệu quả cao hơn bao giờ hết.

Chính khả năng phản ứng của borophene khiến nó dễ bị oxi hóa, dẫn đến khó thí nghiệm. Các nhà khoa học cần phải nghiên cứu để khắc phục điểm yếu này của nó. Tuy nhiên, hiện họ vẫn chưa thể sản xuất borophene số lượng lớn để thử nghiệm và ứng dụng. Còn rất nhiều việc cần phải làm trước khi các nhà biến borophene thành vật liệu được hứa hẹn.