Trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học nỗ lực tìm giải pháp tổng hợp một dạng vật liệu carbon mới, được gọi là graphyne nhưng chưa có kết quả. Một nghiên cứu mới của Đại học Colorado Boulder đã thành công tổng hợp vật liệu này.
Graphyne từ lâu được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm vì
có những tính chất tương đồng với "vật liệu kỳ diệu" graphene - một dạng
vật liệu carbon được ngành công nghiệp đánh giá cao mà công trình nghiên cứu graphene
đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2010. Nhưng, dù lý thuyết đã chứng minh sự tồn
tại cũng như nhiều thập kỷ nỗ lực, các nhà khoa học chỉ tạo ra một số mảnh vỡ.
Công trình Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature
Synthesis đã lấp đầy khoảng trống trong khoa học vật liệu carbon, mở ra những
khả năng hoàn toàn mới đối với sự phát triển của điện tử, quang học và vật liệu
bán dẫn.
Yiming Hu, TS Hóa học năm 2022, tác giả chính của báo cáo
khoa học cho biết: Các nhà khoa học từ lâu đã quan tâm đến việc chế tạo các dạng
thù hình cacbon mới lạ, hoặc các cấu hình khác nhau của carbon vì lợi ích của
carbon đối với ngành công nghiệp và tính linh hoạt của vật liệu.
Có nhiều phương pháp khác nhau xây dựng các dạng thù hình
carbon, tùy thuộc vào các liên kết nguyên tử carbon sp2, sp3 và sp lai hóa, hoặc
các cách khác nhau mà nguyên tử cacbon liên kết với những nguyên tố khác hoặc
các liên kết tương ứng được sử dụng. Những dạng thù hình carbon nổi tiếng nhất
là than chì (sử dụng trong lõi bút chì và pin và kim cương, tạo ra từ carbon
sp2 và carbon sp3 tương ứng.
Sử dụng các phương pháp hóa học truyền thống, trong nhiều
năm các nhà khoa học chế tạo thành công nhiều dạng thù hình khác nhau, bao gồm
fullerene, nghiên cứu này đoạt giải Nobel Hóa học năm 1996 và graphene.
Nhưng những phương pháp này không tổng hợp được các loại vật
liệu carbon khác nhau được tổng hợp cùng nhau với bất kỳ dung lượng lớn nào, hoặc
những gì cần thiết để tổng hợp graphyne, theo lý thuyết được suy đoán là có
tính chất dẫn điện cao, tính cơ học và quang học độc đáo.
Nhưng những tính chất phi truyền thống đó, đã thúc đẩy nhóm
ngiên cứu trong phòng thí nghiệm của GS Wei Zhang, nhà nghiên cứu hóa học thuận
nghịch, cho phép các liên kết tự điều chỉnh, tạo ra các cấu trúc có trật tự mới
hoặc mạng lưới, như polymer tổng hợp tương tự DNA.
Sau khi nghiên cứu các quá trình tổng hợp, GS Zhang và nhóm
phòng thí nghiệm và sử dụng một công cụ mới để giải quyết vấn đề.
Nhóm nghiên cứu sử dụng một quy trình, được gọi là phản ứng
tổng hợp alkyne - một phản ứng hữu cơ đòi hỏi sự phân bố lại, cắt và biến đổi các
liên kết hóa học alkyne (một loại hydrocacbon có ít nhất một liên kết cộng hóa
trị ba carbon-cacbon) với nhiệt động lực học và động học có kiểm soát, nhóm nhà
khoa học chế tạo thành công vật liệu chưa từng được tạo ra trước đây, một vật
liệu có độ dẫn điện tương đương với độ dẫn điện của graphene nhưng có kiểm
soát. Theo các nhà khoa học, có sự khác biệt lớn giữa graphene và graphyne theo
xu hướng tốt hơn. Đây là loại vật liệu kỳ diệu thế hệ tiếp theo.
Cấu trúc tinh thể của một lớp graphyne. Ảnh: Yiming Hu
Sau khi chế tạo vật liệu mới thành công, nhóm nghiên cứu tiếp
tục xem xét những chi tiết cụ thể liên quan như phương pháp tạo ra vật liệu quy
mô lớn và vận dụng vật liệu.
Những nghiên cứu mới nhằm tìm ra được phương thức dẫn điện tử,
các đặc tính quang học của vật liệu, có thể được sử dụng cho các ứng dụng công
nghiệp như pin lithium-ion. Đồng thời các nhà khoa học cũng tìm cách đơn giản
hóa quy trình phản ứng và giảm chi phí để có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi,
mang lại sự phát triển mới cho các thiết bị điện thông thường.
Các tác giả khác trong báo cáo nghiên cứu là Chenyu Wu,
Qingyan Pan và Yingjie Zhao từ Đại học Khoa học và Công nghệ Thanh Đảo; Yinghua
Jin, Rui Lyu, Vikina Martinez, Shaofeng Huang, Jingyi Wu, Lacey J. Wayment,
Noel A. Clark, Markus B. Raschke từ CU Boulder.