Tìm ra vật liệu siêu carbon mới cứng hơn graphene gấp 8 lần

Một vật liệu mới dựa trên carbon, được gọi là “cacbon vô định hình đơn lớp” - monolayer amorphous carbon (MAC), đang cách mạng hóa ngành khoa học vật liệu.

Thách thức giữa độ bền và độ giòn

Ngay cả những vật liệu bền bỉ nhất cũng có thể bị nứt dưới áp lực đủ lớn, một vấn đề mà các nhà khoa học vật liệu đã phải đối mặt trong thời gian dài. Ví dụ, các vật liệu dẫn xuất từ carbon như graphene là một trong những vật liệu bền nhất trên Trái Đất, nhưng một khi vết nứt xuất hiện, nó sẽ lan nhanh, khiến cấu trúc vật liệu dễ bị phá vỡ đột ngột.

Tuy nhiên, một loại vật liệu carbon mới có tên “cacbon vô định hình đơn lớp” - monolayer amorphous carbon (MAC) vừa bền vừa dẻo dai có thể là trở thành giải pháp hoàn hảo. Đây là thành quả của một nghiên cứu mới đến từ các nhà khoa học tại Đại học Rice (Hoa Kỳ) và Đại học Quốc gia Singapore (NUS). Loại vật liệu này được cho là có độ dẻo dai gấp 8 lần so với graphene, vốn cũng được biết đến là vô vùng bền bỉ.

Bí mật đằng sau độ bền của MAC: Cấu trúc tổng hợp

Giống như graphene, MAC cũng là một vật liệu 2D (chỉ dày một nguyên tử). Tuy nhiên, khác với graphene, nơi các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể hình lục giác có trật tự, MAC là một vật liệu tổng hợp kết hợp cả vùng tinh thể và vô định hình. Chính cấu trúc tổng hợp này mang lại cho MAC độ dẻo dai đặc trưng, gợi ý rằng cách tiếp cận thiết kế tổng hợp có thể là một phương pháp hiệu quả để làm cho các vật liệu 2D ít giòn hơn.

Tiến sĩ Bongki Shin thuộc ngành khoa học vật liệu và kỹ thuật nano Đại học Rice, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Cấu trúc độc đáo này ngăn chặn sự lan truyền dễ dàng của các vết nứt, cho phép vật liệu hấp thụ nhiều năng lượng hơn trước khi bị phá vỡ.”

Phá vỡ giới hạn của vật liệu 2D

Có thể nói cacbon vô định hình đơn lớp sẽ là sự bổ sung tuyệt vời cho lĩnh lực vật liệu 2D, vốn đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy những đổi mới mang tính cách mạng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử nhanh hơn và hiệu quả hơn đến lưu trữ năng lượng dung lượng cao, cảm biến tiên tiến và công nghệ đeo được. Để có thể tận dụng hơn nữa các tính chất đặc biệt của chúng, các nhà khoa học vật liệu phải đối mặt với độ giòn của chúng, vốn đã hạn chế ứng dụng thực tế.

Để làm cho vật liệu nano 2D trở nên dẻo dai hơn, người ra có thể thêm các cấu trúc nano gia cố vào màng mỏng – một phương pháp được mô tả trong nghiên cứu là “tăng độ dẻo dai từ bên ngoài” – hoặc thay đổi cấu trúc bên trong vật liệu – “tăng độ dẻo dai từ bên trong”. Cấu trúc trong mặt phẳng của MAC đã cung cấp một trường hợp lý tưởng để kiểm tra độ dẻo dai của vật liệu nanocomposite, bao gồm các vùng có trật tự (tinh thể) được nhúng trong ma trận không trật tự (vô định hình).

Kỷ nguyên mới cho thiết kế vật liệu 2D

Jun Lou, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi tin rằng chiến lược tăng độ dẻo dai dựa trên cấu trúc này có thể áp dụng cho các vật liệu 2D khác, từ đó mở ra những khả năng thú vị cho thiết kế vật liệu tiên tiến.”

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã sử dụng thử nghiệm kéo căng in situ bên trong kính hiển vi điện tử quét để quan sát sự hình thành và lan truyền của các vết nứt trong thời gian thực. Điều này cho phép họ trực tiếp quan sát cách cấu trúc nanocomposite của MAC chống lại sự lan truyền vết nứt. Nhóm nghiên cứu đã chạy các mô phỏng động lực học phân tử, cho phép họ phóng to ở cấp độ nguyên tử để hiểu cách hỗn hợp các vùng tinh thể và vô định hình ảnh hưởng đến năng lượng gãy vỡ.

Điều này chưa từng được thực hiện trước đây vì việc tạo ra và chụp ảnh một vật liệu siêu mỏng, không trật tự ở cấp độ nguyên tử là cực kỳ khó khăn. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ gần đây trong tổng hợp vật liệu nano và hình ảnh độ phân giải cao, các nhà khoa học đã có thể khám phá ra một cách tiếp cận mới để làm cho vật liệu 2D dẻo dai hơn mà không cần bổ sung thêm các lớp phụ.