Tìm ra vật liệu graphene 3D mới cứng hơn thép 10 lần (video)

Graphene –  dải liên kết 2D của các phân tử carbon – là loại vật liệu mới có độ cứng siêu cao và các đặc tính về điện, nhiệt và quang tuyệt vời. Tuy nhiên cấu trúc 2D của graphene khiến cho việc tạo ra một vật liệu graphene 3D để áp dụng vào thực tế là một bài toán khó cho giới khoa học bấy lâu nay.

Để tìm kiếm cấu trúc graphene ở dạng 3D, một nhóm nghiên cứu ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển mô hình vật liệu 3D giống như bọt biển cứng hơn thép 10 lần nhưng chỉ yêu cầu mật độ phân tử 5% so với thép.

Graphene từ lâu đã thu hút các nhà khoa học vật liệu. Cấu trúc bình thường của nó là một tấm phẳng 2D có độ dày 1 nguyên tử, về mặt lý thuyết có thể kéo dài vô hạn ở bề rộng và dài. Để biến graphene thành một vật liệu có thể ứng dụng thực tế, nó cần được tạo ra dưới hình dạng 3D, nhưng các vật liệu 3D graphene được tạo ra trước đây đều không đạt được sức bền mong muốn.

Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cácbon (ảnh: Wiki)
Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cácbon (ảnh: Wiki)

Nhóm nghiên cứu tại MIT đã mang đến hy vọng mới. Họ ít tập trung vào các vấn đề vật liệu mà tập trung vào cấu trúc hình học của graphene. Để thực hiện được điều này, họ đã phân tích hành vi của graphene ở cấp độ nguyên tử, sau đó sử dụng dữ liệu để tạo ra một mô hình toán học nhằm mô phỏng những gì đã quan sát thấy. Từ đó, họ tạo ra mô hình trên máy tính để có thể thực hiện các nghiên cứu về khả năng chịu kéo và khả năng chịu nén của loại vật liệu này.

>> Ăn gì bổ nấy: Tằm ăn graphene, nhả ra tơ siêu hạng

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng, bằng cách nén các mảnh nhỏ của graphene dưới nhiệt độ và áp suất, ta có thể tạo ra vật liệu graphene 3D ở cấu trúc dạng xốp ổn định và cứng giống như san hô, với tỉ lệ diện tích bề mặt trên trọng lượng cực lớn. Theo nhóm nghiên cứu, các cấu trúc hình học này cho phép graphene 2D có thể tạo nên các vật liệu có cấu trúc siêu bền, tương tự như khi ta gấp hoặc cuộn giấy thành những cấu trúc rất bền chắc, như hình trụ hay các tấm như tôn sóng, có thể chịu tải trọng lớn.

Mô hình in 3D dạng xốp được sử dụng để kiểm tra sức bền và tính chất cơ học của một loại vật liệu nhẹ mới (ảnh: Melanie Gonick / MIT)
Mô hình in 3D dạng xốp được sử dụng để kiểm tra sức bền và tính chất cơ học của một loại vật liệu nhẹ mới (ảnh: Melanie Gonick / MIT)

Từ xuất phát điểm này, các mô hình nhựa in 3D độ phân giải cao đã được tạo ra với các cấu hình khác nhau – tương tự như cấu trúc dạng tổ ong mà graphene tạo thành một cách tự nhiên (gọi là gyroid), nhưng lớn hơn hàng ngàn lần.

Theo MIT, các mô hình 3D có cấu trúc hình học cực kỳ phức tạp và chỉ có thể được tạo ra bằng máy in 3D. Các mô hình này sau đó được thử nghiệm sức bền kéo, nén và so sánh với mô phỏng máy tính.

Kết quả mô phỏng các thử nghiệm kéo và nén trên graphene 3D (ảnh: Melanie Gonick / MIT)
Kết quả mô phỏng các thử nghiệm kéo và nén trên graphene 3D (ảnh: Melanie Gonick / MIT)

Các thử nghiệm cho thấy một cấu trúc vật liệu graphene 3D có thể được tạo ra chỉ với 5% mật độ phân tử của thép nhưng cứng hơn thép đến 10 lần. Tuy vậy, sức bền của vật liệu liên quan nhiều đến yếu tố cấu trúc hình học của chúng hơn là yếu tố vật liệu. Khi graphene được thay thế bằng polyme hoặc kim loại, các nhà khoa học cũng thấy sức bền của những vật liệu này cũng được tăng lên tương tự.

Họ cũng phát hiện ra rằng một số thiết kế cấu trúc graphene 3D giả định đã không có tác dụng, bao gồm cả một cấu trúc nhẹ hơn không khí và có thể trôi nổi trên không như một quả bóng bay, nhưng mô hình giả lập cho thấy nó có thể sụp đổ dưới áp suất khí quyển thông thường.

Nhóm nghiên cứu cho biết bên cạnh việc tạo ra cấu trúc 3D graphene, công nghệ này có thể được áp dụng cho các vật liệu khác nhau từ polyme cho đến bê tông kết cấu để sản xuất các cấu trúc không chỉ bền, nhẹ hơn mà còn cách nhiệt tốt hơn. Ngoài ra, các cấu trúc xốp có thể được sử dụng trong hệ thống lọc của các nhà máy nước hoặc hóa học.

Các nghiên cứu đã được công bên trên tạp chí Science Advances.

Video mô tả về dự án tạo ra graphene 3D:

Theo Newatlas, MIT
Thiện Tâm biên dịch

Xem thêm: