"Chỉ nano kim cương" hứa hẹn các tính chất siêu đẳng, bao gồm độ khỏe và độ cứng lớn hơn so với các ống nano và polymer khỏe nhất hiện nay. Cốt lõi của chỉ nano là một sợi dài, mỏng các nguyên tử carbon được sắp xếp giống như các đơn vị cơ bản của cấu trúc kim cương - các vòng zig-zag "cyclohexane" của sáu nguyên tử carbon liên kết với nhau, trong đó mỗi carbon được bao quanh bởi những nguyên tử khác theo hình kim tự tháp khỏe của một tứ diện. Các chỉ nano, do nhóm nghiên cứu của John V. Badding ở Penn State (Hoa Kỳ) tạo ra đầu tiên, có một cấu trúc chưa từng thấy trước đây. Ảnh: Enshi Xu, Vincent H Crespi lab, Penn State.
Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra cách chế tạo "chỉ nano kim cương" siêu mỏng hứa hẹn các tính chất siêu đẳng, bao gồm độ khỏe và độ cứng lớn hơn so với các ống nano và polymer khỏe nhất hiện nay. Phát hiện này do một nhóm nghiên cứu đứng đầu là John V. Badding, giáo sư hóa học tại Penn State, được công bố trên Tạp chí Nature Materials.
"Từ quan điểm khoa học cơ bản, phát hiện của chúng tôi hấp dẫn vì những sợi chỉ nano chúng tôi tạo ra có một cấu trúc chưa từng thấy trước đây," Badding nói. Cốt lõi của chỉ nano này là một, sợi dài, mỏng các nguyên tử carbon được sắp xếp giống như các đơn vị cơ bản của cấu trúc kim cương - các vòng zig-zag "cyclohexane" của sáu nguyên tử carbon liên kết với nhau, trong đó mỗi carbon được bao quanh bởi các nguyên tử khác theo hình kim tự tháp khỏe khoắn của một tứ diện. "Nó giống như một thợ kim hoàn tài ba đã kết hợp với nhau những viên kim cương nhỏ nhất có thể thành một chiếc vòng cổ dài thu nhỏ," Badding nói. "Do những sợi chỉ nano này có kim cương ở trung tâm, chúng tôi hy vọng rằng nó sẽ có độ cứng và khỏe phi thường, cũng như sự hữu ích phi thường".
Phát hiện của nhóm nghiên cứu có được sau gần một thế kỷ nỗ lực bất thành của các phòng thí nghiệm khác để nén các phân tử chứa carbon riêng biệt như benzen lỏng thành vật liệu nano có cấu trúc trật tự giống kim cương. "Chúng tôi sử dụng các thiết bị áp suất cao Paris-Edinburgh lớn tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge để nén một lượng benzen rộng 6mm - một khối lượng khổng lồ so với các thí nghiệm trước đó," Malcolm Guthrie của Viện Khoa học Carnegie, một đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. "Chúng tôi phát hiện ra rằng khi từ từ giải phóng áp suất sau khi nén đử mức ở nhiệt độ phòng bình thường đã cho các nguyên tử carbon thời gian cần thiết để phản ứng với nhau và liên kết thành một chuỗi các tứ diện carbon đơn có trật tự cao, tạo thành chỉ nano có lõi kim cương này".
Nhóm nghiên cứu của Badding là những người đầu tiên để dụ được các phân tử chứa các nguyên tử carbon tạo thành các hình dạng tứ diện mạnh mẽ, sau đó liên kết từng đầu mỗi tứ diện để tạo thành sợi chỉ nano mỏng, dài. Ông mô tả sợi chỉ này nhỏ bé phi thường, chỉ rộng một vài nguyên tử, nhỏ hơn hàng trăm hàng ngàn lần so với một sợi quang. "Lý thuyết đồng tác giả Vin Crespi cho rằng vật liệu này là có khả năng là vật liệu khỏe nhất, cứng nhất có thể, trong khi trọng lượng lại nhẹ", ông nói.
Các phân tử được nén là benzen - một vòng phẳng chứa sáu nguyên tử carbon và sáu nguyên tử hydro. Sợi chỉ nano lõi kim cương được bao quanh bởi một quầng các nguyên tử hydro. Các nhà khoa học cho biết, trong suốt quá trình nén, các phân tử benzen phẳng xếp chồng lên nhau, uốn cong và vỡ ra. Sau đó, khi các nhà nghiên cứu từ từ giảm áp lực, các nguyên tử kết nối lại theo một cách hoàn toàn khác nhau nhưng rất có trật tự. Kết quả là một cấu trúc có carbon trong hình tứ diện của kim cương với hydro treo ở bên và từng tứ diện liên kết với nhau để tạo thành một sợi chỉ dài, mỏng.
Chỉ nano cũng có thể là thành viên đầu tiên của một lớp vật liệu nano giống kim cương mới dựa trên một lõi tứ diện mạnh mẽ. "Phát hiện của chúng tôi cho thấy việc có thể sử dụng các liên kết tự nhiên của các phân tử benzen để chỉ dẫn sự hình thành vật liệu chỉ nano kim cương mới này thực sự hấp dẫn bởi nó mở ra khả năng tạo ra nhiều loại phân tử khác dựa trên carbon và hydro", Badding nói. "Bạn có thể gắn tất cả các loại của các nguyên tử khác xung quanh một lõi carbon và hydro. Mơ ước là có thể bổ sung thêm các nguyên tử khác sẽ được đưa vào các chỉ nano. Bằng cách tạo áp lực cho bất kỳ chất lỏng nào tạo ra, chúng tôi có thể tạo ra rất nhiều vật liệu khác nhau".
Những ứng dụng tiềm năng mà Badding quan tâm nhất là cải thiện mạnh mẽ các vật liệu nhẹ, khỏe và cứng vượt bậc, đặc biệt là những vật liệu có thể giúp bảo vệ khí quyển, như các loại xe nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu và do đó ít gây ô nhiễm hơn. "Một trong những giấc mơ ngông cuồng nhất của chúng tôi đối với các vật liệu nano chúng tôi đang phát triển là chúng có thể được sử dụng để tạo ra các dây cáp siêu nhẹ, siêu khỏe có thể dùng để chế tạo một "thang máy vũ trụ" mà cho đến nay mới chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng", Badding nói.
Nguồn : NASATI, ngày 12/12/2014