Bằng phương pháp điều chỉnh cấu trúc phân tử của vật liệu 2D, nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu nhẹ, bền hơn thép nhiều lần, bảo toàn các đặc tính 2D ưu việt ngay cả ở dạng nhiều lớp. Những ứng dụng tiềm năng có thể là màng lọc siêu thấm đặc chủng và pin điện. Nghiên cứu cũng có tiềm năng ứng dụng cao trong thiết kế kim loại và gốm sứ, có khả năng cho phép sản xuất và sửa chữa những vật liệu này ở nhiệt độ thấp hơn.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học thuộc Đại học Rice và Đại học Maryland, Mỹ dẫn đầu đã vượt qua một rào cản khoa học phân tử rất lớn, tìm ra được giải pháp duy trì những đặc tính cơ học của vật liệu 2D, có thể được ứng dụng trong thực tế công nghiệp.

Mặc dù được công nhận là một trong những vật chất bền vào dẻo dai nhất trên Trái đất, nhưng việc sử dụng hết tiềm năng của những vật liệu 2D chứng minh là một sứ mệnh quá khó khăn.

Những vật liệu 2D, mỏng và mịn hơn cả giấy da hành mỏng nhất, thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học do những thuộc tính cơ học vượt trội của vật liệu. Nhưng những tính chất này biến mất khi vật liệu 2D được xếp lớp để đưa vào sử dụng, hạn chế các ứng dụng thực tế của vật liệu trong cuộc sống.

Teng Li, GS Keystone thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí của Đại học Maryland (UMD) giải thích: “Hãy tưởng tượng về một chiếc bút chì. Lõi của bút được làm bằng than chì, than chì bao gồm nhiều lớp graphene, được xác định là vật liệu cứng nhất thế giới. Nhưng rõ ràng lõi bút chì than chì không bền chút nào, thực tế, than chì thậm chí còn được dùng làm chất bôi trơn.”

Hiện nay, Li và các cộng tác viên tại Đại học Rice và Đại học Houston đã tìm được giải pháp vượt qua thách thức này, sử dung phương pháp điều chỉnh chi tiết cấu trúc phân tử của các polymer 2D, được gọi là khung hữu cơ cộng hóa trị (COF). Những phát minh mới này được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu mới được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).

“Đó là một điểm khởi đầu rất ấn tượng,” GS khoa học vật liệu và kỹ thuật nano của Đại học Rice, Jun Lou, lãnh đạo nhóm Rice cho biết.

 Một mẫu vật liệu khung hữu cơ cộng hóa trị được chồng nhiều lớp nhưng bảo tồn những đặc tính cơ học 2D của vật liệu. Ảnh: Gustavo Raskosky/Đại học Rice

Sử dụng những mô phỏng ở cấp độ phân tử, các nhà khoa học đã nghiên cứu các nhóm chức năng khác nhau, được hiểu là sự sắp xếp của các nguyên tố phân tử và sau đó thiết kế 2 COF với sự khác biệt nhỏ về cấu trúc. Sau đó, nhóm nhà khoa học thử nghiệm cách COF hoạt động khi xếp chồng lên nhau thành các lớp liên tiếp. Các nhà khoa học đã phát hiện được, những khác biệt nhỏ về cấu trúc cho những kết quả khác nhau đáng kể.

COF đầu tiên, bao gồm các lớp vật liệu 2D tương tự như nhau chỉ thể hiện sự tương tác yếu giữa các lớp, độ bền và độ đàn hồi đều bị triệt tiêu khi thêm nhiều lớp hơn. Qiyi Fang, nghiên cứu sinh TS tại Đại học Rice, đồng tác giả chính của bài báo PNAS cho biết, khi các cấu trúc phân tử có sự khác biệt, vật liệu COF thứ hai “thể hiện sự tương tác mạnh mẽ giữa các lớp và duy trì những tính chất cơ học tốt ngay cả khi nhiều lớp được thêm vào”.

Theo các nhà nghiên cứu, hiện tượng này rất có thể là do liên kết hydro. Đồng tác giả chính Zhengqian Pang, nghiên cứu sinh sau TS của UMD, thành viên của nhóm Li' cho biết: “Từ các mô phỏng trong nghiên cứu, chúng tôi đã phát hiện được, những tương tác mạnh giữa các lớp trong loại COF thứ hai là kết quả của liên kết hydro được tăng cường đáng kể giữa các nhóm chức năng đặc biệt của vật liệu

Áp dụng kết quả những phát hiện trong mô phỏng, nhóm nghiên cứu sau đó đã chế tạo được một vật liệu nhẹ, không chỉ bền hơn thép nhiều lần mà còn bảo toàn các đặc tính 2D của vật liệu ngay cả khi được xếp chồng lên thành nhiều lớp.

Những ứng dụng tiềm năng rất nhiều. GS Jun Lou thuộc đại học Rice tuyên bố: “COF có thể tạo ra những màng lọc tuyệt vời. Đối với một hệ thống lọc, cấu trúc nhóm chức (nhóm có tính chất hóa học đặc biệt không phụ thuộc vào các nguyên tố) tại các lỗ rỗng rất quan trọng. Ví dụ, nước bẩn đi qua màng COF, nhóm chức tại lỗ rỗng sẽ chỉ thu giữ những tạp chất và cho phép các phân tử mong muốn đi qua. Trong quá trình lọc, tính toàn vẹn cơ học của màng có ý nghĩa quan trọng. Hiện chúng tôi có phương thức thiết kế các polymer 2D đa lớp rất bền, dẻo dai và đàn hồi, loại vật liệu ứng viên hiệu quả cho các ứng dụng màng lọc.”

Ông nói thêm: “Một ứng dụng tiềm năng khác là nâng cấp pin EV, thay thế cực dương than chì bằng cực dương silicon sẽ làm tăng rất cao dung lượng lưu trữ của các công nghệ pin lithium-ion hiện tại.”

GS Li cho biết, những hiểu biết sâu sắc thu được từ nghiên cứu thúc đẩy những tiến bộ mang tính đột phá trong thiết kế nhiều loại vật liệu như gốm sứ và kim loại. Ví dụ, gốm sứ phụ thuộc vào liên kết ion, được hình thành ở nhiệt độ rất cao, đó là lý do vì sao một cốc cà phê bị vỡ không thể dễ dàng sửa chữa. Kim loại, cũng yêu cầu được rèn và tôi ở nhiệt độ cao. Với phương pháp điều chỉnh phân tử đang được các nhà khoa học nghiên cứu khám phá, những sản phẩm tương tự có thể được sản xuất và sửa chữa mà không cần thiết phải đốt ở nhiệt độ cao.

Ông Li nhấn mạnh: “Mặc dù giới hạn trước mắt là những vật liệu 2D, nhưng về tổng quan, chúng tôi đang đi tiên phong trong nỗ lực khai thác những đặc tính có lợi của vật liệu và loại trừ những hạn chế mà các vật liệu này hiện có.”