Một phát minh về một loại vật liệu mới mà trong đó các mảnh phân tử lộn xộn và mất trật tự, nhưng vẫn có thể dẫn điện cực tốt. Điều này đi ngược lại tất cả các quy tắc mà chúng ta biết về độ dẫn điện. Trên đây là hình minh hoạ về mạng tinh thể. (Minh họa bởi Frank Wegloski)

Ánh Dương - Một phát minh về một loại vật liệu mới mà trong đó các mảnh phân tử lộn xộn và mất trật tự, nhưng vẫn có thể dẫn điện cực tốt. Điều này đi ngược lại tất cả các quy tắc mà chúng ta biết về độ dẫn điện.

Nghiên cứu được công bố ngày 26 tháng 10 trên tạp chí Nature, chỉ ra cách tạo ra một loại vật liệu trong đó các mảnh phân tử lộn xộn và rối loạn, nhưng vẫn có thể dẫn điện cực tốt.

Điều này đi ngược lại với tất cả các quy tắc mà chúng ta biết về độ dẫn điện — đối với một nhà khoa học, nó giống như việc nhìn thấy một chiếc ô tô đang lái trên mặt nước mà vẫn đi được 90 km / giờ. Phát minh có thể sẽ cực kỳ hữu ích; nếu bạn muốn phát minh ra thứ gì đó mang tính cách mạng, thì thường bắt đầu bằng việc khám phá ra một vật liệu hoàn toàn mới.

"Về nguyên tắc, điều này mở ra cánh cửa cho những thiết kế các loại vật liệu dẫn điện hoàn toàn mới, dễ tạo hình và rất bền trong các điều kiện môi trường bình thường", John Anderson, phó giáo sư hóa học tại Đại học Chicago, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

"Về cơ bản, nó gợi ý những khả năng mới cho một nhóm vật liệu công nghệ cực kỳ quan trọng", Tiến sĩ Jiaze Xie (hiện làm việc tại Đại học Princeton), tác giả thứ nhất của bài báo nói.

Vật liệu dẫn điện là vô cùng cần thiết nếu bạn đang chế tạo bất kỳ loại thiết bị điện tử nào, cho dù đó là iPhone, tấm pin mặt trời hay TV.

Các thành viên của phòng thí nghiệm Anderson tại nơi làm việc phát minh vật liệu mới. (Ảnh: John Zich / Đại học Chicago)

Một phát minh ngẫu nhiên

Cho đến nay nhóm chất dẫn điện lâu đời nhất và lớn nhất là các kim loại: đồng, vàng, nhôm. Khoảng 50 năm trước, các nhà khoa học đã có thể tạo ra các chất dẫn điện làm từ vật liệu hữu cơ, sử dụng phương pháp xử lý hóa học được gọi là "doping", phun bổ sung các nguyên tử hoặc electron khác nhau xuyên qua vật liệu.

Phát minh này mang lại nhiều lợi ích, vì những vật liệu này linh hoạt hơn và dễ gia công hơn so với kim loại truyền thống. Tuy nhiên có một vấn đề là chúng không ổn định lắm; chúng có thể mất độ dẫn điện nếu tiếp xúc với độ ẩm hoặc nếu nhiệt độ quá cao.

Về cơ bản, cả hai chất dẫn điện là kim loại truyền thống và hữu cơ đều có chung một đặc điểm. Chúng được tạo thành từ các hàng nguyên tử hoặc phân tử thẳng hàng, xếp khít nhau. Điều này có nghĩa là các electron có thể dễ dàng di chuyển qua vật liệu, giống như những chiếc ô tô trên đường cao tốc.

Trên thực tế, các nhà khoa học cho rằng vật liệu phải có những hàng thẳng hàng, trật tự này để dẫn điện một cách hiệu quả.

Sau đó, tiến sĩ Xie bắt đầu thử nghiệm với một số vật liệu được phát hiện từ nhiều năm trước, nhưng phần lớn bị bỏ qua. Ông xâu chuỗi các nguyên tử niken giống như ngọc trai thành một chuỗi các hạt phân tử làm từ cacbon và lưu huỳnh, và bắt đầu thử nghiệm.

Hình minh họa cấu trúc của vật liệu trong phát minh vật liệu mới. Nguyên tử niken có màu xanh lục, nguyên tử cacbon có màu xám và nguyên tử lưu huỳnh có màu vàng. (Minh hoạ của tiến sĩ Jiaze Xie)

Trước sự ngạc nhiên của các nhà khoa học, vật liệu này dẫn điện dễ dàng và mạnh mẽ. Hơn nữa, nó rất ổn định. Tiến sĩ Xie cho biết: “Chúng tôi đã làm nóng nó, làm lạnh nó, để nó tiếp xúc với không khí và độ ẩm, thậm chí nhỏ axit và bazơ vào nó, và không có gì xảy ra”. Điều đó vô cùng hữu ích đối với một thiết bị phải hoạt động trong thế giới thực.

Chưa có một lý thuyết vững chắc nào để giải thích điều này

Nhưng đối với các nhà khoa học, điều đáng chú ý nhất là cấu trúc phân tử của vật liệu đã bị rối loạn. Anderson nói: “Từ một bức tranh cơ bản, đó không thể là kim loại. Không có một lý thuyết vững chắc nào để giải thích điều này".

Tiến sĩ Xie, phó giáo sư Anderson, và phòng thí nghiệm của họ đã làm việc với các nhà khoa học khác trong trường đại học để cố gắng tìm hiểu cách vật liệu có thể dẫn điện.

Sau các thử nghiệm, mô phỏng và nghiên cứu lý thuyết, họ tin tưởng rằng vật liệu này tạo thành các lớp, giống như các tấm mì trong món mì nướng Ý có tên là lasagna. Ngay cả khi các tấm mì quay sang một bên, không còn tạo thành một chồng lasagna gọn gàng, các electron vẫn có thể di chuyển theo chiều ngang hoặc chiều dọc — miễn là các tấm vẫn còn chạm vào nhau.

Kết quả cuối cùng là chưa từng có đối với một vật liệu dẫn điện. Anderson nói: “Nó gần giống như Play-Doh dẫn điện — bạn có thể đặt nó vào vị trí và nó tự động dẫn điện”.

Mở ra hướng nghiên cứu mới cho công nghệ điện tử

Các nhà khoa học rất vui mừng vì khám phá này, nó gợi mở cho một nguyên tắc thiết kế mới về cơ bản cho công nghệ điện tử. Họ giải thích rằng dây dẫn rất quan trọng nên hầu như bất kỳ sự phát triển mới nào cũng mở ra những dòng tư duy mới cho công nghệ.

Một trong những đặc điểm hấp dẫn của vật liệu là tính chất dễ gia công. Ví dụ: kim loại thường phải được nấu chảy để được tạo thành hình dạng phù hợp cho một con chip hoặc thiết bị. Điều này hạn chế những gì chúng ta có thể tạo hình với chúng, vì các thành phần khác của thiết bị phải có khả năng chịu nhiệt cần thiết để xử lý những vật liệu này.

Vật liệu mới không có hạn chế như vậy vì nó có thể được tạo hình ở ngay trong nhiệt độ phòng. Nó cũng có thể được sử dụng khi nhu cầu về một thiết bị hoặc các bộ phận của thiết bị có khả năng chịu nhiệt, axit hoặc kiềm, hoặc độ ẩm - điều mà đã hạn chế các lựa chọn phát triển công nghệ mới của các kỹ sư trước đây.

Nhóm cũng đang khám phá các dạng và chức năng khác nhau mà vật liệu có thể tạo ra. "Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể gia công nó ở chế độ 2D hoặc 3D, làm cho nó xốp hoặc thậm chí giới thiệu các chức năng khác bằng cách thêm các trình liên kết hoặc nút khác nhau”, tiến sĩ Xie nói.

Ánh Dương (NTDVN)

(Theo Đại học Chicago)