Khoa học tự nhiên

Kim loại hành xử giống như một chất lỏng (25/02/2016)

Kể từ khi phát hiện ra graphene một thập kỷ trước, các nhà khoa học đã ca ngợi graphene là vật liệu kỳ diệu có thể thay thế silic trong các thiết bị điện tử, nâng cao hiệu suất pin, độ bền và độ dẫn điện của màn hình cảm ứng và mở đường cho năng lượng nhiệt điện giá rẻ và rất nhiều ứng dụng khác.

Grapene có độ dày một nguyên tử, bền hơn thép, cứng hơn kim cương và là một trong những vật liệu có độ dẫn điện cao nhất hiện nay tuy nhiên cần phải vượt qua một số thách thức trước khi các sản phẩm graphene được đưa ra thị trường. Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng để hiểu được vật lý cơ bản của loại vật liệu độc đáo này. Ngoài ra, việc chế tạo gặp rất nhiều khó khăn và thậm chí còn khó khăn hơn để tạo ra grapene không có tạp chất.

Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard và Viện Công nghệ Raytheon BBN đã mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về các tính chất cơ bản của graphene khi lần đầu tiên quan sát thấy các điện tử trong một kim loại hành xử giống như một chất lỏng.

Để quan sát được hiện tượng này, nhóm nghiên cứu cải tiến các phương pháp tạo ra graphene siêu sạch và phát triển một phương pháp mới đo độ dẫn nhiệt của nó. Công trình nghiên cứu này có thể đưa đến các thiết bị nhiệt điện mới lạ cũng như cung cấp một hệ thống mô hình để khám phá những hiện tượng kỳ lạ như các hố đen và plasma năng lượng cao.

Siêu xa lộ điện tử

Trong các kim loại ba chiều bình thường, các điện tử hầu như không tương tác với nhau. Nhưng cấu trúc tổ ong hai chiều của graphene hoạt động như một siêu xa lộ điện tử, trong đó tất cả các hạt có để di chuyển trong cùng một làn. Các điện tử trong graphene hành xử giống như các đối tượng tương đối không có khối lượng, một số có điện tích dương và một số có điện tích âm. Chúng di chuyển ở tốc độ đáng kinh ngạc, bằng 1/300 tốc độ của ánh sáng, và được dự đoán sẽ va chạm với nhau mười nghìn tỷ lần/giây ở nhiệt độ phòng. Những tương tác mạnh này giữa các hạt mang điện tích trước đây chưa bao giờ được quan sát trong một kim loại thông thường.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một mẫu siêu sạch bằng cách kẹp một tấm graphene dày một nguyên tử giữa hàng chục lớp tinh thể trong suốt hoàn toàn cách điện có cấu trúc nguyên tử tương tự graphene. Kỹ thuật này được Kim và cộng sự tại Đại học Columbia phát triển trước năm 2014 và hiện đã được hoàn thiện trong phòng thí nghiệm của ông tại SEAS. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu thiết lập một hỗn hợp nóng các hạt mang điện tích dương và điện tích âm trên bề mặt của graphene và quan sát cách những hạt này chảy như những dòng nhiệt và điện. Những gì họ thấy trái ngược với tất cả mọi thứ họ đã biết về kim loại.

Hố đen trên chip

Hầu hết thế giới của chúng ta, cách các dòng nước (thủy động lực học) chảy hay cách một quả bóng đi xoáy về một bên, được mô tả bởi vật lý cổ điển. Những thứ rất nhỏ, giống như các điện tử, được mô tả bởi cơ học lượng tử trong khi những thứ rất lớn và rất nhanh, giống như các thiên hà, được mô tả bởi vật lý tương đối mà Albert Einstein là người đi tiên phong.

Kết hợp những định luật vật lý này là rất khó vì có những lúc chúng chồng chéo lên nhau. Các hệ thống năng lượng cao như siêu tân tinh và các hố đen có thể được mô tả bằng cách liên kết các lý thuyết cổ điển về thủy động lực học với lý thuyết tương đối của Einstein. Nhưng thật khó để vận hành một thử nghiệm trên một hố đen.

Khi các hạt tương tác mạnh trong graphene được thúc đẩy bởi một điện trường, chúng hành xử không giống như các hạt riêng lẻ mà giống như một chất lỏng có thể được mô tả bằng thủy động lực học.

“Vật lý mà chúng ta phát hiện ra bằng cách nghiên cứu các hố đen và lý thuyết dây, chúng ta đang thấy trong graphene”, Andrew Lucas, đồng tác giả nghiên cứu cho biết. “Đây là hệ thống mô hình thủy động lực học tương đối đầu tiên trong một kim loại”.

Trong tương lai, một chip nhỏ của graphene có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi giống như chất lỏng của các hệ thống năng lượng cao khác.

Các ứng dụng công nghiệp

Vì vậy, bây giờ chúng ta biết rằng các điện tử tương tác mạnh trong graphene hành xử như một chất lỏng - điều này thúc đẩy các ứng dụng công nghiệp của graphene như thế nào? Đầu tiên, để quan sát hệ thống thủy động lực học này, nhóm nghiên cứu cần phát triển một phương pháp đo chính xác khả năng dẫn nhiệt của các điện tử trong hệ thống. Rất khó để làm để làm điều này, TS. Kin Chung Fong, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Vật liệu dẫn nhiệt theo hai cách: thông qua những dao động trong cấu trúc nguyên tử hay mạng tinh thể; và bản thân các điện tử dẫn nhiệt. “Chúng tôi cần phải tìm một cách thông minh để bỏ qua sự dẫn nhiệt từ mạng tinh thể và chỉ tập trung vào khả năng dẫn nhiệt của các điện tử”, Fong nói.

Để làm như vậy, nhóm nghiên cứu chuyển sang tiếng ồn. Ở nhiệt độ hữu hạn, các điện tử di chuyển ngẫu nhiên: nhiệt độ càng cao, độ ồn điện tử càng cao. Bằng cách đo nhiệt độ của các điện tử đến ba điểm thập phân, nhóm nghiên cứu đã có thể đo chính xác độ dẫn nhiệt của các điện tử.

“Chuyển đổi nhiệt năng thành dòng điện và ngược lại là điều rất khó với các vật liệu thông thường”, Lucas nói. “Nhưng về nguyên tắc, với một mẫu graphene sạch có thể không có giới hạn về mức độ tốt của một thiết bị mà bạn có thể chế tạo”.

Nguồn: vista.gov.vn (Theo Phys.org, 11/2/2016)