Những dạng thù hình carbon tổng hợp rất hấp dẫn với ngành vật liệu tiên tiến do sở hữu những đặc tính đặc biệt và những ứng dụng tiềm năng. Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ để tổng hợp những loại vật liệu carbon mới. Nhưng vật liệu fullerene hai chiều, sở hữu cấu trúc độc đáo chưa được tổng hợp thành công.

Nhóm nghiên cứu do GS Zheng Jian từ Viện Hóa học thuộc Viện Khoa học Trung Quốc (ICCAS) dẫn đầu đã phát triển một chiến lược phân cắt liên kết xen kẽ mới để điều chế fullerene cao phân tử đơn lớp hai chiều.

Các nhà nghiên cứu đã điều chế magiê xen kẽ các tinh thể số lượng lớn C₆₀ như tiền chất của phản ứng “tẩy da chết” bong các lớp mỏng. Sau đó, nhóm sử dụng phương pháp trao đổi cation (ion dương) có sự hỗ trợ của phối tử để phân cắt các liên kết giữa các lớp hình thành các tinh thể lớn, khiến các tinh thể lớn bị bóc tách thành các tấm nano đơn lớp.

Các nhà khoa học đã khám phá cấu trúc cao phân tử đơn lớp C₆₀ bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và kính hiển vi điện tử truyền quét (STEM). Trong cao phân tử đơn lớp C₆₀ này, các lồng cụm nguyên tử carbon C₆₀ liên kết cộng hóa trị với nhau trên một mặt phẳng, tạo thành cấu trúc liên kết đều đặn khác với cấu trúc của những vật liệu 2D thông thường.

 Sơ đồ minh họa cấu trúc của cao phân tử đơn chất C₆₀. Ảnh: Ella Maru Studio

Vật liệu cao phân tử đơn lớp C₆₀ thể hiện một đặc tính dị hướng trong mặt phẳng và một dải khe năng lượng trung bình 1,6 eV, khiến vật liệu trở thành một ứng viên tiềm năng sử dụng trong các thiết bị điện tử.

GS Zheng cho biết, đây là công trình đầu tiên tổng hợp thành công một fullerene cao phân tử đơn lớp. Kết quả có ý nghĩa rất lớn do bổ sung thêm một thành viên mới vào gia đình các vật liệu carbon. Công trình này mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu carbon hai chiều và chiến lược tổng hợp, cung cấp một quan điểm độc đáo trong việc khám phá thêm những vật liệu carbon mới cho các ứng dụng điện tử tiên tiến trong tương lai.