Công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học đã tìm ra phương pháp tạo ra một loại vật liệu mà cấu trúc là các mảnh phân tử lộn xộn và rối loạn, nhưng vẫn có thể dẫn điện rất tốt. Kết quả nghiên cứu được đăng trong một báo cáo khoa học, xuất bản ngày 26/10 trên tạp chí Nature.

 Mô phỏng mạng tinh thể. Ảnh minh họa bởi Frank Wegloski/ ScieTech Daily.

Phát hiện này đi ngược lại tất cả các quy tắc về độ dẫn điện, đối với một nhà khoa học, điều này tương tự như việc một chiếc ô tô đang lái trên mặt nước mà vẫn đi được 70 dặm/giờ. Nhưng phát hiện cũng có thể chứng minh là cực kỳ hữu ích. Thông thường, trên hành trình phát minh một vấn đề mang tính cách mạng, quá trình đầu tiên bắt đầu bằng việc khám phá ra một vật liệu hoàn toàn mới.

John Anderson, PGS hóa học tại Đại học Chicago, tác giả cao cấp của công trình nghiên cứu nói: “Về nguyên tắc, phát hiện này mở ra khả năng thiết kế một loại vật liệu hoàn toàn mới dẫn điện, dễ tạo hình và rất bền trong các điều kiện hoạt động hàng ngày.”

 “Kết quả của công trình nghiên cứu gợi ý những khả năng mới cho một nhóm vật liệu công nghệ cực kỳ quan trọng,” TS Jiaze Xie tại Princeton, tác giả chính của báo cáo khoa học cho biết.

Không có một lý thuyết vững chắc nào giải thích kết quả này

Trong quá trình sản xuất bất kỳ loại thiết bị điện tử nào, dù đó là iPhone, bảng điều khiển năng lượng mặt trời hay tivi, vấn đề đặt ra đầu tiên là vật liệu dẫn điện. Kim loại như đồng, vàng, nhôm cho đến nay là nhóm chất dẫn điện lâu đời nhất và có nhiều nhất. Khoảng 50 năm trước, các nhà khoa học chế tạo những chất dẫn điện làm từ vật liệu hữu cơ, sử dụng phương pháp xử lý hóa học được gọi là “pha tạp”, rắc các nguyên tử hoặc “tạp chất” khác nhau lên khắp vật liệu. Những vật liệu này linh hoạt hơn và dễ gia công hơn các kim loại thông thường, ưu thế này khiến vật liệu tổng hợp rất hấp dẫn, nhưng có nhược điểm là không ổn định, có thể mất tính dẫn điện nếu tiếp xúc với độ ẩm hoặc nếu nhiệt độ tăng quá cao.

Về nguyên tắc, cả dây dẫn điện kim loại truyền thống và hữu cơ đều có chung một đặc điểm. Cấu trúc vật liệu được tạo thành từ các lớp nguyên tử hoặc phân tử thẳng hàng, xếp khít nhau. Cấu trúc này cho phép các electron dễ dàng di chuyển qua vật liệu tương tự như những chiếc ô tô trên đường cao tốc. Các nhà khoa học cho rằng, vật liệu phải có những hàng thẳng hàng, chỉ có trật tự này mới khiến vật liệu dẫn điện hiệu quả.

Trong nghiên cứu, TS Xie bắt đầu thử nghiệm với một số vật liệu được phát hiện từ nhiều năm trước, nhưng phần lớn bị bỏ qua. Ông xâu chuỗi các nguyên tử niken giống như ngọc trai thành một sợi dây xuyên qua các hạt phân tử làm từ cacbon và lưu huỳnh và bắt đầu thử nghiệm.

Trước sự ngạc nhiên của các nhà khoa học, vật liệu này dẫn điện dễ dàng và mạnh mẽ. Đồng thời vật liệu rất ổn định. “Chúng tôi đã đốt nóng, làm lạnh, cho tiếp xúc với không khí và độ ẩm, thậm chí nhỏ axit và bazơ vào nhưng không có gì xảy ra,” Xie nói. Điều đó vô cùng quan trọng đối với một thiết bị, hoạt động trong môi trường thực tê.

Nhưng điều đáng chú ý nhất đối với các nhà khoa học là cấu trúc phân tử của vật liệu này bị rối loạn.  PGS Anderson nói: “Từ một bức tranh cơ bản, vật liệu này không thể là kim loại. Không có một lý thuyết vững chắc nào để giải thích điều này."

Xie, Anderson cùng các nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm làm việc với các nhà khoa học khác xung quanh trường đại học để cố gắng tìm hiểu, cách vật liệu có thể dẫn điện. Sau nhiều thử nghiệm, mô phỏng và nghiên cứu lý thuyết, nhóm nghiên cứu cho rằng, vật liệu mới tạo thành các lớp liên tiếp, giống như các tấm trong món lasagna (mỳ nướng kiểu Ý). Ngay cả khi các lớp quay sang các bên khác nhau, không còn tạo thành một chồng lasagna gọn gàng, những electron vẫn có thể di chuyển theo chiều ngang hoặc chiều dọc, miễn là các lớp chạm vào nhau.

Kết quả cuối cùng là cấu trúc chưa từng có đối với một vật liệu dẫn điện. PGS Anderson nói: “Nó gần giống như Play-Doh (bộ ghép hình) dẫn điện, xếp đặt vào vị trí và vật liệu mới dẫn điện.”

Các nhà khoa học rất hào hứng với kết quả này vì khám phá này cho thấy một nguyên tắc thiết kế mới về cơ bản cho công nghệ điện tử với các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau và phát hiện mới này sẽ mở ra những công nghệ mới.

Một trong những đặc điểm hấp dẫn của vật liệu là các lựa chọn mới để chế tạo. Ví dụ nhưu kim loại thường phải được nấu chảy để chế tạo thành hình dạng phù hợp cho một con chip hoặc thiết bị. Yêu cầu này hạn chế những gì có thể tạo ra với chúng, vì những thành phần khác của thiết bị phải có khả năng chịu nhiệt cần thiết để xử lý những vật liệu này trong quá trình chế tạo.

Phòng thí nghiệm Anderson tại Đại học Chicago. Nguồn: Ảnh của John Zich / Đại học Chicago

Vật liệu mới không có hạn chế như vậy do có thể được chế tạo ở nhiệt độ phòng. Vật liệu mới có thể được sử dụng khi nhu cầu về một thiết bị hoặc các phần của thiết bị có thể chịu nhiệt, axit hoặc kiềm, hoặc độ ẩm, điều đã hạn chế những lựa chọn phát triển công nghệ mới của các kỹ sư. Với phương pháp này, có thể chế tạo ra các vật liệu dẫn điện bằng phương pháp in 3D, cho phép tạo đường điện trên bề mặt bất cứ vật liệu nào, không cần thiết phải có các bảng mạch vững chắc gây ô nhiễm môi trường.

Nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá các dạng và chức năng khác nhau của vật liệu này. TS Xie nói: “Chúng tôi có thể làm cho vật liệu thành 2D hoặc 3D, xốp hoặc thậm chí đưa vào các chức năng khác mà không ảnh hưởng đến độ dẫn điện,  sử dụng phương pháp thêm vào các trình liên kết hoặc nút khác nhau.”