Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Biến than chì thành kim cương (11/04/2014)

Một nhóm nghiên cứu có các nhà khoa học ở SLAC đứng đầu đã tìm ra cách có thể sản xuất các màng mỏng kim cương dùng cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau, từ những dùng cụ cắt gọt cầm tay đến các thiết bị điện tử cho đến các cảm biến điện hóa.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách mới biển đổi than chì - dạng cacbon tinh khiết giống như ruột bút chì - thành màng mỏng giống kim cương. Ảnh : Fabricio Sousa/SLAC

Các nhà khoa học đã thêm một vài lớp graphene - một tấm than chì dày 1 nguyên tử  - vào một nền kim loại và cho lớp trên cùng tiếp xúc với hydro. Trước sự ngạc nhiên của họ, phản ứng trên bề mặt tạo ra một hiệu ứng domino làm thay đổi cấu trúc của tất cả các lớp graphene từ giống than chì thành giống như kim cương.

"Chúng tôi cung cấp các bằng chứng thực nghiệm đầu tiên rằng sự hydro hóa có thể gây ra quá trình chuyển đổi như vậy trong graphene," Sarp Kaya, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học giao diện và xúc tác SUNCAT và là tác giả tham gia nghiên cứu gần đây, cho biết.

Từ bút chì thành kim cương

Than chì và kim cương là hai dạng của cùng một nguyên tố hóa học, carbon. Tuy nhiên, các tính chất của chúng lại khác nhau vô cùng. Ở than chì, các nguyên tử carbon được sắp xếp ở dạng tấm phẳng có thể dễ dàng trượt qua nhau. Cấu trúc này làm cho vật liệu rất mềm và nó có thể được sử dụng trong các sản phẩm như ruột bút chì.

Trong kim cương thì lại khác, các nguyên tử carbon được gắn kết mạnh mẽ theo tất cả các hướng, do đó kim cương đặc biệt cứng. Bên cạnh độ cứng cơ học, các tính chất điện, quang và hóa học phi thường của nó giúp cho kim cương có giá trị đặc biệt lớn trong các ứng dụng công nghiệp.

Hình minh họa này cho thấy bốn lớp graphene biến đổi (các tấm đơn than chì với các nguyên tử carbon biểu hiện là hình cầu màu đen) trên một bề mặt bạch kim (các hình cầu màu xanh). Việc bổ sung các nguyên tử hydro (hình cầu màu xanh lá cây) lên lớp trên đã tạo ra hiệu ứng domino làm biến đổi vật liệu như than chì thành một màng mỏng giống như kim cương. Màng mỏng được ổn định bởi các liên kết giữa chất nền bạch kim và lớp carbon dưới cùng. Ảnh: Sarp Kaya và Frank Abild-Pedersen/SUNCAT

Các nhà khoa học mong muốn biết và kiểm soát quá trình chuyển đổi cấu trúc giữa các dạng carbon khác nhau để có thể chuyển đổi từ một dạng này thành dạng khác theo ý muốn. Một cách để biến chì thành kim cương là bằng cách sử dụng áp suất. Tuy nhiên, do than chì là dạng ổn định nhất của carbon trong điều kiện bình thường, nên để làm như vậy phải cần áp lực cao khoảng 150.000 lần áp suất khí quyển tại bề mặt Trái đất.

Giờ đây đã có một cách khác hoạt động ở cấp nano. "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng hydro hóa graphene có thể là một cách thức mới để tổng hợp các màng siêu mỏng giống kim cương mà không sử dụng áp suất," Kaya nói.

Hiệu ứng đôminô

Trong thí nghiệm của mình , các nhà nghiên cứu đã đặt lên nền bạch kim bốn tấm graphene và cho thêm lớp hydro ở trên cùng. Với sự giúp đỡ của tia X cường độ cao từ Thiết bị nguồn sáng bức xạ synchrotron SLAC và những tính toán lý thuyết bổ sung do nhà nghiên cứu ở SUNCAT Frank Abild - Pedersen thực hiện, nhóm nghiên cứu đã xác định được hydro tác động đến cấu trúc xếp lớp như thế nào.

Họ nhận thấy rằng liên kết hydro đã kích hoạt một hiệu ứng domino, với những thay đổi cấu trúc lan truyền từ bề mặt của mẫu thí nghiệm đi qua tất cả các lớp carbon bên dưới, biến cấu trúc giống than chì ban đầu của tấm carbon phẳng thành một sự sắp xếp các nguyên tử carbon tương tự như kim cương.

Phát hiện này là hoàn toàn bất ngờ, bởi mục đích ban đầu của thí nghiệm là để xem việc cho thêm hydro có thể làm thay đổi tính chất của graphene để có thể sử dụng trong bóng bán dẫn hay không. Thay vào đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng liên kết kết dẫn đến sự hình thành các liên kết hóa học giữa graphene và chất nền bạch kim.

Hóa ra ra các liên kết này là rất quan trọng cho hiệu ứng domino trên. "Để cho quá trình này ổn định, chất nền bạch kim cần phải gắn kết với lớp carbon gần nhất với nó," Kaya giải thích. "Khả năng của bạch kim hình thành các liên kết này quyết định sự ổn định tổng thể của màng giống kim cương."

Nghiên cứu tương lai sẽ khám phá hết tiềm năng của các lớp graphene được hydro hóa cho các ứng dụng trong khoa học vật liệu. Đặc biệt là xác định xem các màng giống kim cương này có thể được phát triển trên nền kim loại khác hay không, sử dụng graphene với các độ dày khác nhau.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Phys.org)