Kỹ thuật xếp lớp vật liệu 2D giúp khám phá những vật liệu mới

Lĩnh vực vật liệu 2D liên quan đến việc xếp chồng lên nhau những tấm vật liệu dày chỉ vài nguyên tử. Với các lớp mỏng cấp độ nguyên tử, những vật liệu thông thường cũng có những tính năng hoàn toàn mới. Ví dụ, carbon đột nhiên thể hiện tính siêu dẫn khi hai lớp xếp chồng lên nhau theo chiều dọc ở một góc "ma thuật".

Các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến việc xếp chồng các loại vật liệu 2D khác nhau lại với nhau bởi nếu lấy các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau với quyền kiểm soát hướng tinh thể, có thể tạo ra những tính năng vật lý mới rất ấn tượng do sự tương tác giữa các lớp. Nhưng quá trình khám phá rất hạn chế và chậm chạp, do các nhà khoa học phải tập hợp các tổ hợp này và thử nghiệm từng cái một tỉ mỉ.

Dưới sự chỉ đạo của GS Jiwoong Park, chuyên gia về vật liệu nano, nhóm nghiên cứu phát minh ra kỹ thuật tạo ra các tấm mỏng cấp nguyên tử, bóc tách ra và xếp lại với nhau. Sau đó là giải pháp tự động hóa quy trình này.

Các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật này để tạo ra sản phẩm đầu tiên “kết cấu” nguyên tử của một tinh thể, lắp ráp với bốn bậc quay giữa bốn lớp. Ảnh: Mannix et al.

Các nhà khoa học tạo ra một dây chuyền lắp ráp nhỏ. Đầu tiên, các nhà khoa học sáng tạo giải pháp cắt tấm vật liệu 2D thành hình dạng chính xác mong muốn, không làm vỡ hoặc làm hỏng tấm vật liệu. Bằng thực nghiệm, nhóm nghiên cứu tìm ra một kỹ thuật có thể tạo ra những họa tiết trên diện tích lớn với độ chính xác rất cao và không làm ô nhiễm vật liệu.

Tiếp theo, các nhà khoa học chế tạo một “bàn tay” robot có khả năng làm việc với những tấm vật liệu siêu mỏng manh này. Nhóm nghiên cứu phát triển một “bàn tay” từ các polyme mềm, tan biến khi tiếp xúc với nhiệt hoặc ánh sáng cực tím. Bàn tay sẽ dính và nhấc mảnh vật liệu siêu mỏng lên, Khi vật liệu được định vị chính xác, bàn tay sẽ tan biến và mảnh vật liệu rơi vào đúng vị trí.

Sử dụng hệ thống này, các nhà khoa học có thể lập trình dây chuyền lắp ráp tạo ra một cấu trúc vật liệu với hàng chục lớp khác nhau, nhanh chóng thu được một mẫu đã hoàn thiện sẵn sàng để kiểm tra trong vài phút. Hệ thống không chỉ rất chính xác mà còn cho phép các tùy chọn mở rộng để điều chỉnh, như khả năng xoay từng tấm vật liệu liên tiếp theo các góc khác nhau.

Kỹ thuật xếp lớp vật liệu 2D robot hóa lập trình được sẽ đẩy nhanh tốc độ khám phá ra những vật liệu mới với những tính năng ấn tượng, không có trong điều kiện tự nhiên, đồng thời cho phép các nhà khoa học tạo ra các vật liệu tối ưu nhất cho một sáng tạo trong thời gian ngắn.