Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Các nhà khoa học phát triển phương pháp mới sản xuất vật liệu nano tự tổ chức (11/07/2014)

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã phát triển một phương pháp tổng hợp mới cho phép sản xuất các lớp cacbon siêu mỏng cho một loạt các ứng dụng.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne (EPFL) và Viện Chất keo và mặt phân giới Max Planck (MPICI) ở Potsdam-Golm dẫn đầu đã phát triển một phương pháp đơn giản để sản xuất các lớp nano cacbon tự tổ chức với một loạt các chức năng về phương diện hóa học. Các lớp nano cacbon chức năng hóa như vậy được cho là phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng làm các lớp phủ bề mặt làm cho bề mặt vừa chống xước vừa chống bám bẩn, hoặc các bộ cảm biến phát hiện một lượng rất nhỏ một loại vật chất nào đó. Độ dẫn điện của các lớp cacbon cũng làm cho chúng thích hợp để làm các linh kiện điện tử trong các ứng dụng khác nhau.

Trong nhiều ứng dụng, việc có thể cung cấp cho các tấm cacbon siêu mỏng này các dư lượng phân tử hóa học nhất định, được gọi là nhóm chức năng, là một việc quan trọng. “Cho đến nay, điều này chỉ có thể với một mức độ hạn chế vì các tấm nano cacbon thường chỉ có thể được chế tạo ở những mức nhiệt độ cực cao - và, do đó, ở những mức nhiệt độ thấp hơn, các nhóm chức năng sẽ phá hủy ngay lập tức,” Gerald Brezesinski từ MPICI cho biết. Cùng với các đồng nghiệp của mình, Brezesinski đã hỗ trợ các nhà nghiên cứu từ EPFL phát triển một phươn pháp tổng hợp có thể được quan tâm trong bối cảnh này. Với phương pháp này, các lớp nano cacbon, bao gồm các nhóm chức năng, có thể được sử dụng dễ dàng ở các mức nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với những phương pháp thường được áp dụng trong sản xuất các vật liệu như vậy.

Để tạo ra một cấu trúc phẳng từ các nguyên tử cacbon, các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đã sử dụng một loạt các thủ thuật. Một trong những thủ thuật chính liên quan đến hợp chất khởi đầu được lựa chọn, một phân tử với phần giữa có sáu liên kết đơn và liên kết 3 cacbon-cacbon xen kẽ. Những phần này chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon và có khả năng phản ứng mạnh vì chúng cũng có thể thực hiện các phản ứng hóa học ở những mức nhiệt độ thấp hơn. Ngược lại với các quá trình khác, điều này có nghĩa là các lớp cacbon mỏng có thể được sản xuất từ ​​những phân tử này ở nhiệt độ phòng.

        Một lá nano có thể có các chức năng khác nhau.

Sử dụng một thử nghiệm được thiết lập đặc biệt, các nhà khoa học sắp xếp các phân tử này song song với nhau một cách hoàn hảo trong một lớp tự tổ chức - giống như các sợi lông trên bàn chải. Tuy nhiên, có một sự khác biệt nhỏ so với các sợi lông trên bàn chải đó là mỗi mạch phân tử song song có một phân tử hơi lệch đi. Kết quả của sự sắp xếp này là các phần nhiều cacbon của tất cả các phân tử được đặt tại cùng một mức. Khi các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng tia cực tím vào thiết lập này, một số liên kết ba bị phá vỡ và các liên kết được hình thành giữa các nguyên tử cacbon của các phân tử lân cận. Vì hầu như tất cả các sợi lông theo cách đó cuối cùng liên kết với các sợi lông lân cận của chúng, một lớp các nguyên tử cacbon phù hợp hình thành - một lớp nano cacbon.

Một lớp nano cacbon tự tổ chức: các phân tử mạch với một đầu hòa tan trong nước và một đầu không hòa tan tự tổ chức trên bề mặt nước giống như các sợi lông bàn chải. Ánh sáng tia cực tím kích hoạt phản ứng hóa học, trong đó các liên kết ba cacbon ở phần giữa của hợp chất khởi đầu kết hợp để hình thành một lớp phù hợp - chúng cacbon hóa. Cả hai mặt hòa tan và không tan trong nước của lớp nano có thể có các chức năng về phương diện hóa học cho các ứng dụng khác nhau. Ảnh: EPFL/MPI of Colloids and Interface.

Để bảo đảm các phân tử sắp xếp song song với nhau, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các phân tử hoạt tính bề mặt, tương tự như những phân tử có trong nước rửa bát. Trong khi một đầu của những phân tử như vậy hòa tan tốt trong nước, đầu kia không hòa tan chút nào. Giữa hai đầu này, các nhà khoa học đặt các liên kết ba phản ứng.

Khi họ đưa hợp chất trên tiếp xúc với nước ở điểm này, chỉ có một đầu của phân tử hòa tan. Toàn bộ phần còn lại không hòa tan do đó nhô ra khỏi bề mặt. Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc thiết lập có chủ ý một khoảng cách đồng đều giữa các sợi lông phân tử đơn lẻ. Ở các mức liên kết ba, khoảng cách này phải nhỏ hơn 0,4 nanomet, vì các nguyên tử cacbon lân cận chỉ gần nhau trong trường hợp này đủ để hình thành các liên kết mới với nhau dưới ánh sáng tia cực tím.

Cuối quá trình tổng hợp, các đầu của các phân tử khởi đầu vẫn nhô ra khỏi lớp nano - đầu hòa tan trong nước ở một mặt và đầu không hòa tan ở mặt kia. Yếu tố đặc biệt này là cực kỳ quan trọng đối với các nhà nghiên cứu vì nó tạo ra khả năng gắn các nhóm hóa học vào một đầu trước khi tổng hợp sẽ đem lại cho các lớp nano cacbon tiếp theo một chức năng đặc biệt. Các chất phụ gia hóa học sẽ chịu được quy trình sản xuất mà không bị hư hại và cũng sẽ được bảo tồn trong cáclớp nano cacbon kết quả.

Bằng cách này, ví dụ, có thể cố định các nhóm hóa chất vào một mặt sau này sẽ hỗ trợ kết nối với các bề mặt nhất định bằng thủy tinh hay kim loại. Các nhóm chức năng cũng có thể được gắn vào mặt kia làm cho lớp này chống bám bẩn. Bản thân lớp cacbon cũng sẽ làm cho bề mặt chống xước rất tốt. Cảm biến nano hóa học cũng có thể được chế tạo từ các lớp xốp siêu mỏng như vậy. Cuối cùng, các nhóm hóa chất có thể được tích hợp thành các phân tử khởi đầu sau này đảm bảo sự tương tác với các nhóm chất hoặc chất được đo. Độ dẫn điện cao của các lớp nano cacbon có thể được sử dụng cho việc truyền tải tín hiệu đo lường. Do đó, các nhà nghiên cứu từ Lausanne và Potsdam hy vọng rằng quy trình sáng tạo của họ trong sản xuất lớp nano  cacbon tự tổ chức sẽ mở đường cho một số lượng lớn các ứng dụng mới thú vị.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Scitechdaily)