Quy trình “một bước” mới tạo ra siêu vật liệu tự lắp ráp

Nhóm do các nhà nghiên cứu của Đại học Minnesota Twin Cities dẫn đầu đã phát hiện ra quy trình “một bước” đột phá để tạo ra vật liệu có các đặc tính độc đáo, được gọi là siêu vật liệu. Kết quả của họ cho thấy khả năng thực tế của việc thiết kế các cấu trúc tự lắp ráp với tiềm năng tạo ra các cấu trúc nano " theo đơn đặt hàng" để ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và quang học.

Nghiên cứu đã được công bố trên Nano Letters.

Nói chung, siêu vật liệu là vật liệu được tạo ra trong phòng thí nghiệm để cung cấp các đặc tính vật lý, hóa học, điện và quang học cụ thể mà không thể tìm thấy trong các vật liệu tự nhiên. Những vật liệu này có thể có những đặc tính độc đáo khiến chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau từ bộ lọc quang học và thiết bị y tế đến cách âm máy bay và giám sát cơ sở hạ tầng. Thông thường, những vật liệu quy mô nano này được sản xuất một cách cẩn thận trong môi trường phòng sạch chuyên dụng qua nhiều ngày và nhiều tuần trong một quy trình chế tạo gồm nhiều bước.

Trong nghiên cứu mới này, một nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota đã nghiên cứu một vật liệu màng mỏng được gọi là stronti stannate hay SrSnO3. Trong quá trình nghiên cứu, họ nhận thấy sự hình thành đáng ngạc nhiên của các mẫu ở quy mô nano tương tự như cấu trúc siêu vật liệu được chế tạo trong quy trình tốn kém, nhiều bước trước đó.

Bharat Jalan, tác giả của nghiên cứu và là một chuyên gia về tổng hợp vật chất cho biết: “Ban đầu chúng tôi nghĩ đây sẽ là một sai lầm, nhưng nhanh chóng nhận ra rằng mô hình tuần hoàn là sự pha trộn của hai pha của cùng một vật liệu với cấu trúc tinh thể khác nhau. Sau khi tham khảo ý kiến ​​của các đồng nghiệp tại Đại học Minnesota, Đại học Georgia và Đại học Thành phố New York, chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi đã phát hiện ra điều gì đó khá đặc biệt có thể có một số ứng dụng hay ho."

Vật liệu đã được tổ chức một cách tự nhiên thành một cấu trúc có trật tự khi nó thay đổi từ giai đoạn này sang giai đoạn khác. Trong quá trình được gọi là "quá trình chuyển pha cấu trúc bậc một", vật liệu chuyển sang một pha hỗn hợp trong đó một số bộ phận của hệ thống đã hoàn thành quá trình chuyển đổi còn những bộ phận khác thì không.

Giáo sư Richard James, đồng tác giả của nghiên cứu và là Giáo sư Đại học McKnight, Đại học Minnesota, cho biết: “Những mẫu tuần hoàn có kích thước nano này là hệ quả trực tiếp của quá trình chuyển pha cấu trúc bậc một trong vật liệu này. Lần đầu tiên, công trình của chúng tôi cho phép một loạt các khả năng sử dụng các phép biến đổi pha cấu trúc thuận nghịch với các hệ thống điện tử và quang tử nano."

Trên thực tế, nhóm đã chứng minh một quy trình cho cấu trúc nano đầu tiên có thể tự lắp ráp, có thể điều chỉnh để tạo ra siêu vật liệu chỉ trong một bước. Các nhà nghiên cứu đã có thể điều chỉnh khả năng lưu trữ đặc tính điện tích trong một tấm phim duy nhất bằng cách sử dụng nhiệt độ và bước sóng laser. Họ đã tạo ra một cách hiệu quả vật liệu tinh thể quang tử có hiệu suất 99%.

Sử dụng kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao, các nhà nghiên cứu đã xác nhận cấu trúc độc đáo của vật liệu.

Giáo sư Andre Mkhoyan, đồng tác giả của nghiên cứu, một chuyên gia về kính hiển vi điện tử tiên tiến cho biết: “Chúng tôi quan sát thấy ranh giới giữa các pha tinh thể này được xác định rõ ràng ở quy mô nguyên tử.”

Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các ứng dụng trong tương lai cho khám phá của họ trong các thiết bị quang học và điện tử.

"Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này, chúng tôi chưa bao giờ nghĩ về những ứng dụng như vậy. Chúng tôi được thúc đẩy bởi nghiên cứu cơ bản về vật lý của vật liệu", Jalan nói. "Bây giờ, đột nhiên, chúng tôi dường như đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới, được thúc đẩy bởi khả năng có nhiều ứng dụng mới và thú vị."

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily