Borophene - vật liệu 2D bền vững hơn thép

Vật liệu có độ dày chỉ bằng 2 nguyên tử

Cái gì có thể mỏng nhất? Câu trả lời là vật liệu hai chiều - vật liệu kỳ lạ của khoa học hiện đại với chiều dài và chiều rộng nhưng độ dày chỉ một hoặc hai nguyên tử. Những vật liệu này có khả năng tăng hiệu suất đến mức chưa từng có đối với các thiết bị điện tử, pin mặt trời, pin và trang thiết bị y tế.

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), phối hợp với Đại học Northwestern và Đại học Florida, công bố một bản báo cáo khoa học trên tạp chí Science về một phát minh đột phá, loại vật liệu 2D, có tên gọi là borophene, tấm vật liệu boron và hydro có độ dày chỉ bằng 2 nguyên tử.

Một trong những phát minh ấn tượng nhất của khoa học vật liệu trong những thập kỷ gần đây là tấm carbon (graphene) 2D, dày một nguyên tử và mạnh hơn thép 200 lần. Một vật liệu mới hơn và có triển vọng tương tự là một tấm boron dày một nguyên tử, được gọi là borophene. 

Vật liệu graphene đơn giản là một lớp nguyên tử trong số nhiều lớp giống nhau trong vật liệu phổ biến graphite, borophene không có cấu trúc nguồn gốc tương đương và rất khó điều chế.

Vật liệu hai chiều borophene, hình thành trên bề mặt bạc, có tính đa hình đa dạng và được dự đoán là vật liệu khác thường và có những tính chất điện tử đặc biệt. Nhưng vật liệu này rất không ổn định bên ngoài điều kiện chân không cao và dễ bị oxy hóa trong môi trường, cản trở việc khám phá những tính chất đặc trưng của borophene.

Nhóm nghiên cứu đã cấy tạo borophene trên nền bạc, sau đó hydro hóa vật liệu bằng hydro nguyên tử và tạo ra vật liệu có cấu trúc phức tạp, dày 2 nguyên tử của nguyên tử bo và hydro. Các nhà khoa học nhận thấy, sau khi tiếp xúc với hydro, borophane bền vững và ổn định hơn trong môi trường. Vật liệu được hydro hóa bền vững nhiều ngày trong không khí. Quá trình hydro hóa cũng làm giảm tốc độ oxy hóa đáng kể khi tiếp xúc với môi trường.

Borophene được Hydro hóa, vật liệu 2D dày 2 nguyên tử với những tính chất điện tử khác thường.

Dễ dàng tích hợp với các vật liệu khác

Mark Hersam, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Northwestern cho biết, khi trộn borophene với hydro, vật liệu đột nhiên trở nên ổn định và có tiềm năng lớn được sử dụng trong các lĩnh vực điện tử nano và công nghệ thông tin lượng tử đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới.

Sau kết quả đạt được, nhóm nhà khoa làm sáng tỏ cấu trúc phức tạp của borophane bằng phương pháp kết hợp kính hiển vi quét hiệu ứng đường hầm với thuật toán dựa trên thị giác máy tính, so sánh những mô phỏng lý thuyết của cấu trúc với các phép đo thực nghiệm.

Mặc dù vật liệu borophane hydro hóa chỉ dày có hai nguyên tử, nhưng cấu trúc của nó khá phức tạp vì có nhiều cách sắp xếp cho các nguyên tử bo và hydro.

Nhà khoa học nano Maria Chan thuộc Trung tâm Vật liệu nano của Argonne cho biết, để làm sáng tỏ cấu trúc phức tạp của vật liệu borophene, các nhà khoa học đã quét hình ảnh hiển vi điện tử hiệu ứng đường hầm và mô hình tính toán quy mô nguyên tử với sự hỗ trợ của thị giác máy tính.

Pierre Darancet, nhà khoa học nano thuộc Trung tâm Vật liệu nano Argonne cho biết, tấm nano borophene trên nền bạc khá bền vững và ổn định, không giống như borophene thông thường.

Đặc trưng này có nghĩa là borophene dễ dàng tích hợp với các vật liệu khác trong chế tạo các thiết bị mới cho quang điện tử, các thiết bị sử dụng kỹ thuật kết hợp ánh sáng với điện tử. Những thiết bị kiểm soát ánh sáng và phát sáng như vậy có thể được tích hợp vào các trang thiết bị viễn thông, y tế và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác.