Các nhà nghiên cứu tại Đại Học Rice University đã sử dụng chương trình giả lập máy tính để tính toán ra rằng: Carbyne – một chuỗi đơn chiều (monodimensional chain) của nguyên tử carbon – có độ bền gấp đôi ống nano carbon và cứng hơn kim cương đến ba lần. Nếu nghiên cứu của họ chính xác, và những thách thức trong việc chế tạo Carbyne được vượt qua thì đây có thể là loại vật liệu vô cùng hữu ích trong một khoảng ứng dụng rất lớn.
Một cái tên khác của Carbon
Nếu bạn còn nhớ đến những lớp học về hóa hữu cơ, thì hẳn bạn cũng nhớ, một trong những yếu tố làm cho carbon trở nên đặc biệt (so với các nguyên tố khác) chính là khả năng dễ dàng liên kết với các nguyên tử- bao gồm cả chính nó- để tạo thành các dạng khác nhau. Thậm chí chỉ cần thay đổi chính liên kết của các nguyên tử carbon với nhau cũng có hể tạo ra nhiều dạng thù hình khác nhau, bao gồm từ than chì (graphite) đến kim cương (diamonds), hay gần đây là các dạng hình nhân tạo như buckyball, graphene và ống nano carbon.
Những dạng hình nhân tạo đó có thể mang đến những kết quả bất ngờ về độ bền cơ học hay khả năng ứng dụng trong các công nghệ tương lai, ví dụ như thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo (next-gen electronics). Vậy nên không có gì lạ khi các nhà khoa học vẫn không ngừng tìm kiếm các dạng thù hình mới với các đặc tính tương tự hoặc ưu việt hơn các dạng hình đã có.
Carbyne, hay carbon acetylen tuyến tính (linear acetylenic carbon), chính là một dạng thù hình khác của carbon, phát triển trong một chuỗi đơn với các liên kết đơn và liên kết ba xen kẽ. Do chỉ là một chuỗi có độ dày như một nguyên tử , chứ không phải dạng tấm phẳng (như graphene) hay dạng ống rỗng (như ống nano carbon), nên Carbyne có thể coi là một vật liệu đơn chiều thật sự. Các nhà khoa học tin rằng tính đơn chiều này có thể giúp Carbyne có các tinh chất điện và cơ học tuyệt vời.
Carbyne và các tính chất của nó
Nhà vật lý lý thuyết Boris Yakobson của Đại Học Rice University và nhóm của ông đã mô tả các tính chất của carbyne dựa trên các thông tin có sẵn trong các nghiên cứu trước đó và kết hợp với chương trình giả lập trên máy tính. Ngoài việc xác nhận rằng Carbyne bền vững trong nhiệt độ phòng, hầu như đối kháng lại tương tác với các chuỗi nguyên tử carbyne gần kề, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều đặc điểm đáng chú ý và chưa từng có khác.
Về tính chất cơ học, độ bền kéo của Carbyne- hay khả năng chịu lực kéo giãn của nó- gấp đôi so với graphene. Theo như mô hình trên máy tính, carbyne cũng cứng gấp hai so với graphene và gấp ba so với kim cương. Thú vị hơn, độ cứng xoắn (torsional stiffness) của Carbyne có thể được điều chỉnh bằng cách thêm bớt các phân tử tương ứng ở đoạn cuối của chuỗi carbon.
Theo ông Yakobson, Carbyne còn có rất nhiều các đặc điểm điện tử riêng và vô cùng thú vị. Các phân tử có thể được đính vào đoạn cuối của chuỗi carbon để làm nó có khả năng trữ năng lượng. Các khe năng lượng (band gap) của Carbyne cũng là một đặc điểm điện tử quan trọng- quyết định khả năng dẫn điện của nó, có thể được kéo dãn từ 3.2 đến 4.4 eV chỉ bằng cách kéo dãn vật liệu 10% và nếu vặn xoắn Carbyne 90 độ, nó sẽ trở thành một bán dẫn từ tính.
Tiếp theo sẽ là?
Nếu những dự đoán trên là chính xác, thì sự đa năng của Carbyne có thể một ngày nào đó sẽ biến nó thành một tiến bộ quan trọng trong một khoảng lĩnh vực rộng lớn, bao gồm từ thiết kế các thiết bị điện tử nano và spintronic cho đến xây dựng các bộ phận cơ học hiệu năng cao.
Thật không may, việc phát hiện các tính chất của Carbyne và việc khai thác chúng lại là hai vấn đề rất khác nhau. Dù Carbyne được phát hiện trong các bụi thiên thạch (interstellar dust) và than chì nén, nhưng việc tái tạo nó trong phòng nghiên cứu lại là một thử thách thực sự. Nhóm nghiên cứu chỉ có thể tạo được một chuỗi rất nhỏ (khoảng 44 nguyên tử) mà thôi. Thế nhưng ít nhất những nghiên cứu này cũng là động lực để khuyến khích đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nhằm sản xuất chuỗi carbyne dài hơn sau này.
Ông Yakobson và các đồng nghiệp cho biết: họ sẽ tiếp tục nghiên cứu kỹ hơn về tính dẫn điện của carbyne, đặc biệt là mối quan hệ giữa việc vặn xoắn và các khe năng lượng của nó. Những nghiên cứu trong tương lai của họ cũng sẽ đồng thời tim hiểu xem liệu các nguyên tốt khác trong bảng tuần hoàn có thể tạo thành chuỗi đơn chiều tương tự như Carbyne hay không.
Bài viết mô tả về vật liệu này đã được xuất bản trên tạp chí ACS Nano.
Người dịch: Trungmaster, theo Gizmag
Link tài liệu:
M.Liu, V.L. Artyukhov, Hoonkyung Lee, F. Xu and B. I. Yakobson, “Carbyne from First princples: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope”, American Chemical Society, 2013
Nhìn bài báo trông khó hiểu thật