Các nhà khoa học phát hiện ra vật liệu có thể được làm giống nhựa nhưng dẫn điện tương tự kim loại

Các nhà khoa học thuộc Đại học Chicago đã phát hiện ra cách tạo ra một vật liệu có thể được làm giống như nhựa, nhưng dẫn điện giống kim loại.

Một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Chicago đã phát hiện ra cách tạo ra một vật liệu có thể được làm giống như nhựa, nhưng dẫn điện giống kim loại. Nguồn: John Zich/Đại học Chicago.

Nghiên cứu công bố ngày 26 tháng 10 trên tạp chí Nature đã cho thấy cách tạo ra một loại vật liệu trong đó các mảnh phân tử sắp xếp lộn xộn và không theo trật tự, 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 chạy trên mặt nước mà vẫn đi được 70 dặm/giờ. Nhưng phát hiện này cũng có thể cực kỳ hữu ích vì nếu muốn phát minh ra thứ gì đó mang tính cách mạng, quy trình thường bắt đầu bằng việc khám phá ra một vật liệu hoàn toàn mới.

John Anderson, phó giáo sư hóa học tại Đại học Chicago, tác giả chính của bài báo cho biết: “Về nguyên tắc, điều này mở ra thiết kế của một loại vật liệu hoàn toàn mới dẫn điện, dễ tạo hình và rất bền trong các điều kiện hằng ngày"; "Về cơ bản, nó gợi ý những khả năng mới cho một nhóm công nghệ vật liệu cực kỳ quan trọng".

'Không có một lý thuyết chắc chắn nào để giải thích điều này'

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 ti vi. Trước kia, nhóm chất dẫn điện lâu đời nhất và tốt nhất là các kim loại: đồng, vàng, nhôm. Sau này, khoảng 50 năm trước đây, các nhà khoa học đã có thể tạo ra các chất dẫn điện làm từ vật liệu hữu cơ, sử dụng một phương pháp xử lý hóa học được gọi là "doping", đó là pha tạp các nguyên tử hoặc điện tử khác có thể xuyên qua vật liệu.

Điều này rất thuận lợi vì những vật liệu này linh hoạt hơn và dễ gia công hơn so với kim loại truyền thống, nhưng vấn đề là chúng không ổn định lắm; nếu tiếp xúc với độ ẩm hoặc nếu nhiệt độ quá cao, chúng có thể mất khả năng dẫn điện.

Nhưng về cơ bản, cả hai chất dẫn điện hữu cơ và kim loại truyền thống này 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 nghĩ rằng một vật liệu phải có những hàng thẳng hàng, trật tự này để dẫn điện hiệu quả.

Sau đó, Xie bắt đầu thử nghiệm với một số vật liệu được phát hiện từ nhiều năm trước, nhưng phần lớn chưa được chấp nhận. Ông xâu chuỗi các nguyên tử niken giống như hạt ngọc trai vào một chuỗi các hạt phân tử cacbon và lưu huỳnh, và bắt đầu thử nghiệm.

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. Xie cho biết: “Chúng tôi đã nung 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 thực tế.

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 chắc chắn nào để giải thích điều này”.

Xie, Anderson, và cộng sự 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 nghĩ rằng vật liệu này tạo thành các lớp, giống như các tấm trong món mì Ý lasagna. Ngay cả khi các tấm quay sang một bên, không còn tạo thành một chồng lasagna gọn gàng, các điện tử vẫn có thể di chuyển theo chiều ngang hoặc chiều dọc - miễn là các mảnh chạm vào nhau.

Kết quả cuối cùng là chưa từng thấy 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 dẫn điện”.

Các nhà khoa học rất phấn khích vì khám phá này gợi ý một nguyên tắc thiết kế mới mang tính căn bản cho công nghệ điện tử. Họ giải thích rằng chất dẫn điện rất quan trọng nên hầu như bất kỳ sự phát triển mới nào cũng mở ra những công nghệ mới.

Một trong những đặc điểm hấp dẫn của vật liệu là các lựa chọn cách chế tạo mới. 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 bạn có thể tạo ra 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 ra ở nhiệt độ phòng. Nó cũng có thể được sử dụng khi nhu cầu về một thiết bị hoặc các bộ phận của thiết bị để chịu nhiệt, axit hoặc kiềm hoặc độ ẩm trước đây đã hạn chế các lựa chọn của các kỹ sư để phát triển công nghệ mới.

Nhóm nghiên cứu cũng đang khám phá các dạng và chức năng khác nhau mà vật liệu có thể tạo ra. Xie cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể làm cho nó dạng màng mỏng (2D) hoặc khối, hạt (3D), làm cho nó xốp hoặc thậm chí giới thiệu các chức năng khác bằng cách thêm các cầu liên kết hoặc nút khác nhau”.

Nguồn: https://phys.org/news/2022-10-scientists-material-plastic-metal.html

Người dịch: Phạm Thị Thu, Phòng Thông tin KHQS.