Vật liệu carbon mới có độ cứng cao gấp 8 lần graphene

Một vật liệu mới mang tên carbon vô định hình đơn lớp (MAC) đang thu hút sự chú ý của giới khoa học nhờ độ bền bỉ và mạnh mẽ so với graphene.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đến từ Mỹ đã công bố rằng MAC cứng hơn graphene gấp 8 lần. Vật liệu carbon hai chiều (2D) này có kích thước chỉ dày một nguyên tử, khi kết hợp giữa các vùng tinh thể và vùng hỗn loạn tạo nên một cấu trúc độc đáo với độ bền cao.

Tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh Bongki Shin, chia sẻ: "Thiết kế độc đáo này ngăn chặn các vết nứt lan rộng, cho phép vật liệu hấp thụ nhiều năng lượng hơn trước khi bị phá vỡ".

Để tìm hiểu cách MAC chịu được ứng suất, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm kéo bên trong kính hiển vi điện tử quét, cho thấy các vết nứt trên vật liệu chậm lại, phân nhánh hoặc thậm chí dừng lại trước khi phá vỡ cấu trúc.

Các mô phỏng ở cấp độ nguyên tử tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã xác nhận điều này, cho thấy giao diện giữa các vùng có trật tự và không có trật tự làm tăng năng lượng cần thiết để phá vỡ vật liệu. Các nhà nghiên cứu tại MIT nhấn mạnh việc tạo ra và chụp ảnh một vật liệu siêu mỏng, hỗn loạn ở quy mô nguyên tử là một thách thức lớn.

Thiết kế này có thể áp dụng cho các vật liệu 2D khác nhằm cải thiện tính hữu ích của chúng trong điều kiện thực tế, nơi độ giòn thường là một rào cản.

Mô phỏng động lực học phân tử đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách MAC hoạt động khác biệt so với các vật liệu carbon khác. Các mô hình cho thấy sự tương tác giữa các vùng vô định hình và ứng suất diễn ra theo những cách không ngờ, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh kích thước và phân bố của các tinh thể để tối ưu hóa độ bền.

Sự vượt trội của MAC so với graphene

Khác với graphene, vốn nổi tiếng với độ bền nhưng lại giòn, MAC không chỉ chống biến dạng mà còn xử lý các vết nứt bằng cách buộc chúng phân nhánh hoặc dừng lại, từ đó tăng cường độ bền mà không làm mất đi độ cứng. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các thiết bị hiện sử dụng graphene, mở ra tiềm năng cho các ứng dụng trong điện tử linh hoạt, cảm biến, tấm pin mặt trời và pin.

MAC được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học hỗ trợ bằng laser, tương tự như quy trình sản xuất graphene. Điều này có nghĩa là quy trình có thể được mở rộng bằng cách sử dụng thiết bị và bí quyết hiện có, từ đó giúp đẩy nhanh quá trình áp dụng trong thực tế.

Sự phát triển của MAC không chỉ là một bước tiến trong nghiên cứu vật liệu mà còn mở ra những cơ hội mới cho các thiết bị điện tử linh hoạt, đặc biệt trong các môi trường khắc nghiệt. Với những cải tiến hơn nữa, MAC có thể trở thành lớp bảo vệ tiêu chuẩn cho các thiết bị mỏng cần hoạt động dưới áp lực.