Kỹ thuật của các nhà khoa học Đại học Chicago tạo ra “dây chuyền lắp ráp tấm 2D” cho phép tích hợp các vật liệu mới với những tính năng đặc biệt cho những nhu cầu sáng tạo khoa học.
Trong vật liệu 2D, một trong những lĩnh vực ấn tượng nhất của điện tử tương lai, các nhà khoa học vẫn phải làm việc thủ công với từng vật liệu tiềm năng trước khi có thể kiểm tra những khả năng mới.
Một kỹ thuật mới, với sự hỗ trợ của robot được các nhà khoa học từ Đại học Chicago , Đại học Cornell và Đại học Michigan nghiên cứu phát triển, tạo ra một phương pháp sản xuất sáng tạo để lắp ráp vật liệu nano, có thể đẩy nhanh tốc độ sáng tạo trong lĩnh vực vật liệu 2D. Chi tiết của nghiên cứu được đang trên tạp chí Nature Nanotechnology , có thể đẩy nhanh tốc độ đột phá trong lĩnh vực này.
Tác giả nghiên cứu, PGS TS Andrew Mannix thuộc Đại học Chicago Kadanoff-Rice và Đại học Stanford cho biết, quy trình này hoàn toàn tự động, có thể lập trình và thực hiện. Trước đây, nếu muốn thử 10 cách hoán vị vật liệu khác nhau, tất cả đều phải làm thủ công, mất nhiều tuần lao động. Robot có thể làm điều này trong một giờ. Kỹ thuật này sẽ mở ra những hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu 2D giảm bớt sự tẻ nhạt công việc và tăng sức sáng tạo.
Lĩnh vực vật liệu 2D liên quan đến việc xếp chồng lên nhau những tấm vật liệu dày chỉ vài nguyên tử. Với các lớp mỏng cấp độ nguyên tư, những vật liệu thông thường cũng có những tính năng hoàn toàn mới. Ví dụ, carbon đột nhiên thể hiện tính siêu dẫn khi hai lớp xếp chồng lên nhau theo chiều dọc ở một góc "ma thuật".
Các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến việc xếp chồng các loại vật liệu 2D khác nhau lại với nhau, các nhà khoa học nhận ra rằng, nếu lấy các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau với quyền kiểm soát hướng tinh thể, có thể tạo ra những tính năng vật lý mới rất ấn tượng do sự tương tác giữa các lớp. Nhưng quá trình khám phá rất hạn chế và chậm chạp, do các nhà khoa học phải tập hợp các tổ hợp này và thử nghiệm từng cái một tỉ mỉ.
Nhóm nhà khoa học Đại học Chicag giải quyết được vấn đề này. Dưới sự chỉ đạo của GS Jiwoong Park, chuyên gia về vật liệu nano, nhóm nghiên cứu phát minh ra kỹ thuật tạo ra các tấm mỏng cấp nguyên tử, bóc tách ra và xếp lại với nhau. Sau đó là giải pháp tự động hóa quy trình này.
Các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật này để tạo ra sản phẩm đầu tiên “kết cấu” nguyên tử của một tinh thể, lắp ráp với bốn bậc quay giữa bốn lớp. Ảnh: Mannix et al.
Các nhà khoa học tạo ra một dây chuyền lắp ráp nhỏ. Đầu tiên, các nhà khoa học sáng tạo giải pháp cắt tấm vật liệu 2D thành hình dạng chính xác mong muốn, không làm vỡ hoặc làm hỏng tấm vật liệu. Bằng thực nghiệm, nhóm nghiên cứu tìm ra một kỹ thuật có thể tạo ra những họa tiết trên diện tích lớn với độ chính xác rất cao và không làm ô nhiễm vật liệu.
Tiếp theo, các nhà khoa học chế tạo một “bàn tay” rô bốt có khả năng làm việc với những tấm vật liệu siêu mỏng manh này. Nhóm nghiên cứu phát triển một “bàn tay” từ các polyme mềm, tan biến khi tiếp xúc với nhiệt hoặc ánh sáng cực tím. Bàn tay sẽ dính và nhấc mảnh vật liệu siêu mỏng lên, Khi vật liệu được định vị chính xác, bàn tay sẽ tan biến và mảnh vật liệu rơi vào đúng vị trí.
Sử dụng hệ thống này, các nhà khoa học có thể lập trình dây chuyền lắp ráp tạo ra một cấu trúc vật liệu với hàng chục lớp khác nhau, nhanh chóng thu được một mẫu đã hoàn thiện sẵn sàng để kiểm tra trong vài phút. Hệ thống không chỉ rất chính xác mà còn cho phép các tùy chọn mở rộng để điều chỉnh, như khả năng xoay từng tấm vật liệu liên tiếp theo các góc khác nhau.
Kỹ thuật xếp lớp vật liệu 2D robot hóa lập trình được sẽ đẩy nhanh tốc độ khám phá ra những vật liệu mới với những tính năng ấn tượng, không có trong điều kiện tự nhiên, đồng thời cho phép các nhà khoa học tạo ra các vật liệu tối ưu nhất cho một sáng tạo trong thời gian ngắn.