Vật liệu carbon siêu cứng mới, vượt xa graphene về độ bền

Theo Technology Networks, nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice (Mỹ) cho biết carbon vô định hình đơn lớp (MAC) có độ cứng cao hơn graphene khoảng 8 lần. Vật liệu này dày 1 nguyên tử, cấu trúc gồm vùng tinh thể xen kẽ vùng vô định hình, tạo nên độ bền đáng kể.

"Thiết kế độc đáo này ngăn chặn các vết nứt lan rộng, cho phép vật liệu hấp thụ nhiều năng lượng hơn trước khi bị phá vỡ", tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh Bongki Shin chia sẻ.

Để hiểu rõ khả năng chịu ứng suất của MAC, nhóm nghiên cứu đã làm các thử nghiệm kéo trong kính hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy các vết nứt trên vật liệu có xu hướng chậm lại, phân nhánh hoặc dừng lại trước khi phá hủy cấu trúc.

Mô phỏng ở cấp độ nguyên tử do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) thực hiện đã xác nhận kết quả này. Theo đó, ranh giới giữa các vùng có trật tự và không có trật tự giúp tăng năng lượng cần thiết để làm nứt gãy vật liệu.

Các nhà nghiên cứu tại MIT cũng lưu ý rằng việc tạo ra vật liệu mỏng có cấu trúc hỗn loạn ở quy mô nguyên tử không hề đơn giản. Quá trình ghi nhận hình ảnh chính xác của loại vật liệu này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

Cách thiết kế này có thể được áp dụng cho các vật liệu 2 chiều khác nhằm cải thiện độ bền trong điều kiện thực tế. Đây là điểm yếu thường thấy ở các vật liệu mỏng, vốn dễ gãy khi chịu lực.

Thông qua mô phỏng động lực học phân tử, các nhà khoa học đã hiểu rõ hơn cách MAC phản ứng khác biệt so với dạng carbon khác. Kết quả cho thấy sự tương tác giữa vùng vô định hình và ứng suất diễn ra phức tạp, cho phép điều chỉnh kích thước và phân bố của tinh thể để tối ưu độ bền.

Graphene được biết đến với độ bền cao nhưng lại dễ gãy khi chịu lực. Trong khi đó, MAC cho thấy khả năng kháng biến dạng vượt trội hơn. Khi xuất hiện vết nứt, vật liệu này có thể làm chậm, phân tán hoặc ngăn chặn sự lan rộng của vết nứt.

Nhờ vậy, MAC duy trì được độ bền mà không làm giảm độ cứng. Với những đặc tính trên, vật liệu có thể được ứng dụng thay thế graphene trong nhiều lĩnh vực như điện tử linh hoạt, cảm biến, pin mặt trời và pin lưu trữ.

Ngoài ra, carbon vô định hình đơn lớp được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học có hỗ trợ laser, tương tự quy trình sản xuất graphene. Do đó, việc mở rộng quy mô sản xuất có thể tận dụng hạ tầng và công nghệ sẵn có.

Việc phát triển MAC không chỉ mang lại bước tiến trong lĩnh vực vật liệu hai chiều mà còn mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị hoạt động ở môi trường khắc nghiệt. Nếu tiếp tục được cải tiến, vật liệu này có tiềm năng trở thành lớp bảo vệ tiêu chuẩn cho các thiết bị mỏng chịu áp lực cao.