Mới đây trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu của Đại học Yale (Mỹ) công bố quy trình đổ khuôn nano có khả năng tái tạo cấu trúc bề mặt chính xác ở quy mô nguyên tử - một bước đột phá hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực chức năng hóa bề mặt và phát triển các thiết bị có cấu trúc nano.

Quy trình được thực hiện bằng cách nung nóng hợp kim của Thủy tinh Kim loại (Metal Glass) có chứa bạch kim rồi nén vào khuôn bằng Stronti titanate (SrTiO3), tương tự như kỹ thuật khuôn nhựa polymer làm đồ chơi và vỏ bọc nhưng ở mức độ vi mô hơn rất nhiều. Kết quả đã tái tạo chi tiết đến từng nấc xoắn hay vết lõm trên bề mặt có kích thước chỉ một ô cơ sở của phân tử SrTiO3 gốc.

Việc lựa chọn SrTiO3 làm khuôn là một chìa khóa cho bước đột phá này. Giáo sư Udo Schwarz, trưởng Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Khoa học Vật liệu của ĐH Yale, và là trưởng nhóm nghiên cứu cho biết họ mất vài năm mới có thể tìm ra loại khuôn phù hợp. Các vật liệu khác như Natri Clorua (NaCl) và than chì (Graphite) khi dùng làm khuôn sẽ bị dính vào nhau hoặc lẫn vào trong bản sao. Trong khi đó, tinh thể ôxít giòn SrTiO3 có tính chất hoàn hảo cho công việc, khi được làm nguội, các lớp tinh thể nứt ra ngay lập tức và thu được bản sao giống 100% cấu trúc bề mặt.

Sử dụng thủy tinh kim loại khối (BMGs) là thành tố quan trọng khác trong công nghệ khuôn nano. Đây là một dạng vật liệu có độ cứng của kim loại nhưng có nhiệt độ nóng chảy thấp, khi nung chảy sẽ có tính dẻo như nhựa. Mặc dù các chất nhựa dẻo làm khuôn “tương đối tốt”, nhưng do các nguyên tử polymer di chuyển cùng nhau theo chuỗi nên bị hạn chế trong việc sao chép chi tiết bề mặt. Trong khi đó, mỗi nguyên tử trong cấu trúc thủy tinh kim loại có khả năng di chuyển độc lập, cho phép ta tái tạo bất cứ thứ gì với độ chính xác vô cùng cao.

Công nghệ đổ khuôn nano này mở ra nhiều ứng dụng mới trong việc chức năng hóa các loại bề mặt. “Chúng ta có thể tạo ra những bề mặt có độ bám dính tối đa hoặc tối thiểu,” Schwarz nói. Việc tối đa hóa diện tích bề mặt kim loại tới giới hạn lý thuyết hứa hẹn những đột phá trong lĩnh vực cảm biến, chất xúc tác và sản xuất pin.

Nghiên cứu trên cũng góp phần sáng tỏ một vài ẩn số trong cấu trúc thủy tinh kim loại. “Bản chất của trạng thái thủy tinh là gì?” là vấn đề được đăng trong danh sách “100 câu hỏi cơ bản mà chúng ta chưa biết” trên tạp chí khoa học Science Magazine, 2005. Cho đến nay, chưa ai có thể hình dung được trực tiếp cấu trúc nguyên tử ba chiều của thủy tinh, kể cả thủy tinh kim loại hay thủy tinh thông thường. Công nghệ sao chép ở mức độ cực chi tiết này sẽ giúp chúng ta hiểu biết nhiều hơn về loại vật liệu đầy tiềm năng này.

Nguồn: Báo khoa học và phát triển