“Vật liệu kỳ diệu” này có thể được bẻ cong theo cách chưa từng có

Các nhà vật lý học tại Đại học Vienna, phối hợp với nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Vienna, đã tìm ra cách làm cho graphene – một vật liệu nổi tiếng với độ bền cực cao và tính dẫn điện vượt trội – sở hữu khả năng co giãn hơn nhiều. Phương pháp là “bổ sung” vào vật liệu này những khiếm khuyết siêu nhỏ và tạo ra các họa tiết gợn sóng giống như nếp gấp của một chiếc đàn accordion. Phát hiện này có thể hỗ trợ phát triển các công nghệ linh hoạt như thiết bị đeo điện tử và sản phẩm cuộn gập, cùng nhiều ứng dụng khác.

Về mặt kỹ thuật, Graphene chỉ dày một nguyên tử và có cấu trúc rất cứng. Mặc dù độ cứng này có nhiều ưu điểm, nhưng cũng giới hạn khả năng uốn cong và kéo giãn của vật liệu. Kể từ thời điểm graphene được phát hiện vào năm 2004, các nhà khoa học đã liên tục cố gắng điều chỉnh độ cứng của của loại vật liệu này bằng cách loại bỏ một số nguyên tử, nhưng kết quả lại không nhất quán – có nghiên cứu cho thấy độ cứng giảm nhẹ, trong khi những thí nghiệm khác lại cho kết quả đối lập

Để làm rõ sự khác biệt này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Vienna đã tiến hành một loạt thí nghiệm trong môi trường đặc biệt, giữ cho graphene hoàn toàn tinh khiết, không bị ảnh hưởng bởi không khí hay bụi bẩn. “Hệ thống độc đáo mà chúng tôi phát triển tại Đại học Vienna cho phép nghiên cứu vật liệu 2D mà không bị nhiễu”, tiến sĩ Jani Kotakoski, trường nhóm nghiên cứu cho biết. Ngoài ra, đây cũng là đầu tiên, có một thí nghiệm được thực hiện khi graphene đã được cách ly hoàn toàn khỏi không khí xung quanh cũng như các hạt vật chất “lạ”. Nếu không có sự cách ly này, các hạt sẽ nhanh chóng bám vào bề mặt và làm sai lệch quy trình thí nghiệm cũng như kết quả đo đạc.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các khiếm khuyết trong graphene bằng cách sử dụng ion argon (Ar) năng lượng thấp (dưới 200 eV) để loại bỏ nguyên tử một cách có kiểm soát. Những nguyên tử bị khuyết này được gọi là "khoảng trống nguyên tử" (vacancies). Sau đó, họ sử dụng kính hiển vi tiên tiến và công nghệ phân tích hình ảnh để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, đồng thời đo phản ứng của vật liệu với áp lực bằng kỹ thuật nanoindentation trên kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).

Trước khi bổ sung các khiếm khuyết, graphene có mô đun đàn hồi hai chiều (E²D) là 286 N/m. Sau khi thêm các khoảng trống nguyên tử, chỉ số này giảm xuống còn 158 N/m – một thay đổi rất lớn, vượt xa dự đoán của hầu hết các lý thuyết trước đó, và giúp giải thích vì sao những thí nghiệm trước cho ra kết quả không đồng nhất. Các mô phỏng cho thấy hiện tượng mềm hóa này chủ yếu xảy ra do các nếp gợn hình thành quanh khu vực có hai nguyên tử trở lên bị thiếu. Những khoảng trống đơn lẻ hầu như không gây ảnh hưởng nhiều.

“Có thể tưởng tượng nó như một chiếc đàn accordion. Khi kéo ra, những nếp sóng này được làm phẳng lại, và điều đó cần ít lực hơn nhiều so với việc kéo căng một tấm vật liệu phẳng – vì vậy nó trở nên dễ co giãn hơn,” Joudi giải thích. Các mô phỏng khác được thực hiện gần đây cũng đã củng cố giả thuyết này, cho thấy rõ cả sự hình thành nếp gợn và độ co giãn gia tăng.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện rằng nếu bề mặt graphene không được làm sạch trước khi thêm các khiếm khuyết, kết quả sẽ ngược lại: vật liệu trở nên cứng hơn. Điều này là do bụi bẩn hoặc các hạt lạ trên bề mặt ngăn cản sự hình thành nếp gợn. Điều này cho thấy tầm quan trọng của môi trường đo đạc khi làm việc với vật liệu 2D. Kết quả nghiên cứu mở ra một cách để điều chỉnh độ cứng của graphene và tạo tiền đề cho các ứng dụng tiềm năng trong tương lai.