Vật liệu carbon mới, có những tính chất tốt hơn graphene

Graphyne từ lâu được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm vì có những tính chất tương đồng với "vật liệu kỳ diệu" graphene - một dạng vật liệu carbon được ngành công nghiệp đánh giá cao mà công trình nghiên cứu graphene đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2010. Nhưng, dù lý thuyết đã chứng minh sự tồn tại cũng như nhiều thập kỷ nỗ lực, các nhà khoa học chỉ tạo ra một số mảnh vỡ.

Công trình Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Synthesis đã lấp đầy khoảng trống trong khoa học vật liệu carbon, mở ra những khả năng hoàn toàn mới đối với sự phát triển của điện tử, quang học và vật liệu bán dẫn.

Yiming Hu, TS Hóa học năm 2022, tác giả chính của báo cáo khoa học cho biết: Các nhà khoa học từ lâu đã quan tâm đến việc chế tạo các dạng thù hình cacbon mới lạ, hoặc các cấu hình khác nhau của carbon vì lợi ích của carbon đối với ngành công nghiệp và tính linh hoạt của vật liệu.

Có nhiều phương pháp khác nhau xây dựng các dạng thù hình carbon, tùy thuộc vào các liên kết nguyên tử carbon sp2, sp3 và sp lai hóa, hoặc các cách khác nhau mà nguyên tử cacbon liên kết với những nguyên tố khác hoặc các liên kết tương ứng được sử dụng. Những dạng thù hình carbon nổi tiếng nhất là than chì (sử dụng trong lõi bút chì và pin và kim cương, tạo ra từ carbon sp2 và carbon sp3 tương ứng.

Sử dụng các phương pháp hóa học truyền thống, trong nhiều năm các nhà khoa học chế tạo thành công nhiều dạng thù hình khác nhau, bao gồm fullerene, nghiên cứu này đoạt giải Nobel Hóa học năm 1996 và graphene.

Nhưng những phương pháp này không tổng hợp được các loại vật liệu carbon khác nhau được tổng hợp cùng nhau với bất kỳ dung lượng lớn nào, hoặc những gì cần thiết để tổng hợp graphyne, theo lý thuyết được suy đoán là có tính chất dẫn điện cao, tính cơ học và quang học độc đáo.

Nhưng những tính chất phi truyền thống đó, đã thúc đẩy nhóm ngiên cứu trong phòng thí nghiệm của GS Wei Zhang, nhà nghiên cứu hóa học thuận nghịch, cho phép các liên kết tự điều chỉnh, tạo ra các cấu trúc có trật tự mới hoặc mạng lưới, như polymer tổng hợp tương tự DNA.

Sau khi nghiên cứu các quá trình tổng hợp, GS Zhang và nhóm phòng thí nghiệm và sử dụng một công cụ mới để giải quyết vấn đề.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một quy trình, được gọi là phản ứng tổng hợp alkyne - một phản ứng hữu cơ đòi hỏi sự phân bố lại, cắt và biến đổi các liên kết hóa học alkyne (một loại hydrocacbon có ít nhất một liên kết cộng hóa trị ba carbon-cacbon) với nhiệt động lực học và động học có kiểm soát, nhóm nhà khoa học chế tạo thành công vật liệu chưa từng được tạo ra trước đây, có độ dẫn điện tương đương với độ dẫn điện của graphene nhưng có kiểm soát. Theo các nhà khoa học, có sự khác biệt lớn giữa graphene và graphyne theo xu hướng tốt hơn. Đây là loại vật liệu kỳ diệu thế hệ tiếp theo.

Cấu trúc tinh thể của một lớp graphyne. Ảnh: Yiming Hu

Sau khi chế tạo vật liệu mới thành công, nhóm nghiên cứu tiếp tục xem xét những chi tiết cụ thể liên quan như phương pháp tạo ra vật liệu quy mô lớn và vận dụng vật liệu.

Những nghiên cứu mới nhằm tìm ra được phương thức dẫn điện tử, các đặc tính quang học của vật liệu, có thể được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp như pin lithium-ion. Đồng thời các nhà khoa học cũng tìm cách đơn giản hóa quy trình phản ứng và giảm chi phí để có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi, mang lại sự phát triển mới cho các thiết bị điện thông thường.