Mỹ sở hữu "bí thuật" biến than chì thành "vàng điện tử": Rất hiếm có trên Trái đất

Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) của Mỹ đã biến than chì (thành phần của ruột bút chì) thành "vàng" bằng cách xếp chồng 5 lớp graphene của chúng theo một thứ tự cụ thể. 

Sau đó, vật liệu thu được có thể được điều chỉnh để thể hiện 3 đặc tính quan trọng chưa từng thấy ở than chì tự nhiên, đánh dấu một khám phá quan trọng trong vật lý vật liệu sử dụng các kỹ thuật cải tiến cỡ nano. 

Long Ju, trợ lý giáo sư tại Khoa Vật lý của MIT và là người đứng đầu công trình, cho biết: "Thiên nhiên có rất nhiều điều bất ngờ. Trong trường hợp này, chúng tôi chưa bao giờ nhận ra rằng tất cả những điều thú vị này đều tập trung vào than chì. Rất hiếm vật liệu trên Trái đất có thể chứa nhiều đặc tính như vậy".

Sự trỗi dậy của "Twistronics"

Than chì là một khoáng chất bao gồm các tấm nguyên tử carbon hình lục giác (graphene) xếp chồng lên nhau. Đây là dạng carbon nguyên chất ổn định nhất trong điều kiện tiêu chuẩn. Than chì rất mềm, có trọng lượng riêng thấp, tương đối không phản ứng và có độ dẫn điện và nhiệt cao.

Carbon có một số dạng thù hình hoặc dạng khác xuất hiện tự nhiên, mỗi dạng có cấu trúc tinh thể riêng. Một dạng trong số đó là graphene - nó là một lớp nguyên tử carbon có hình lục giác.

Graphene đã trở thành tâm điểm nghiên cứu của các nhà khoa học kể từ khi nó được phân lập lần đầu tiên khoảng 20 năm trước. 

Graphene - nó là một lớp nguyên tử carbon có hình lục giác. Ảnh: Internet

Sau đó, khoảng 5 năm trước, các nhà nghiên cứu bao gồm một nhóm tại MIT đã phát hiện ra rằng việc xếp chồng từng tấm graphene và xoắn chúng theo một góc nhỏ với nhau có thể truyền các đặc tính mới cho vật liệu, từ tính siêu dẫn đến từ tính. Từ đó, lĩnh vực "Twisttronics" ra đời.

Twisttronics là lĩnh vực thể hiện độ xoắn giữa các lớp của một vật thể theo chiều dọc. Cấu trúc 2D xếp chồng lên nhau ảnh hưởng đến các thuộc tính của nó.

Trong nghiên cứu hiện tại mà Scitechdaily đưa tin ngày 5/11/2023, "chúng tôi đã khám phá ra những đặc tính thú vị mà không cần vặn xoắn chúng" - Nhà nghiên cứu Long Ju cho biết.

Ông và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng 5 lớp graphene được sắp xếp theo một trật tự nhất định cho phép các electron chuyển động xung quanh bên trong vật liệu giao tiếp với nhau. Hiện tượng đó, được gọi là tương quan điện tử, "là điều kỳ diệu khiến tất cả những đặc tính mới này trở nên khả thi".

Than chì khối – và thậm chí cả những tấm graphene đơn lẻ – là những chất dẫn điện/nhiệt tốt, nhưng chỉ có vậy thôi. Vật liệu Long Ju và các đồng nghiệp đã phân lập được, mà họ gọi là graphene xếp chồng hình thoi năm lớp, có giá trị lớn hơn nhiều so với tổng các phần của nó.

Bằng việc xếp chồng 5 lớp graphene theo một thứ tự cụ thể, các nhà nghiên cứu của MIT đã phát hiện ra những đặc tính độc đáo của than chì như cách điện, từ tính và tôpô. Phát hiện này được ví như khả năng biến than chì thành "vàng điện tử". Ảnh: Scitechdaily

Chìa khóa để phân lập vật liệu này là một chiếc kính hiển vi mới được Long Ju chế tạo tại MIT vào năm 2021. Nó có thể xác định nhanh chóng nhiều đặc tính quan trọng của vật liệu ở cấp độ nano. Vì graphene xếp chồng hình thoi năm lớp chỉ dày vài phần tỷ mét.

Kính hiển vi mà Long Ju chế tạo, được gọi là Kính hiển vi quang học trường gần quét kiểu tán xạ (s-SNOM) cho phép các nhà khoa học xác định và phân lập các lớp xếp chồng mà họ quan tâm.

Kết quả: họ phát hiện ra sự xuất hiện của ba đặc tính khác nhau tùy thuộc vào số lượng electron tràn vào.

"Chúng tôi phát hiện ra rằng vật liệu này có thể cách điện, có từ tính hoặc có tính chất tôpô. Về cơ bản, Long Ju giải thích, vật liệu tôpô cho phép các electron chuyển động không bị cản trở xung quanh các cạnh của vật liệu, nhưng không đi qua phần giữa. 

Các electron di chuyển theo một hướng dọc theo rìa vật liệu được ngăn cách bởi một dải phân cách tạo nên tâm của vật liệu. Vì vậy, cạnh của vật liệu tôpô là chất dẫn điện hoàn hảo, trong khi phần trung tâm là chất cách điện".

Long Ju và các đồng tác giả kết luận trên tạp chí Nature Nanotechnology: "Công trình của chúng tôi thiết lập graphene đa lớp xếp chồng hình thoi như một nền tảng có khả năng nghiên cứu lĩnh vực vật lý tôpô mở rộng sau này".

Nguồn: Scitechdaily, Energyeducation