Phát hiện đột phá: Mô hình xoắn ốc tự hình thành trên bề mặt germanium mở ra hướng nghiên cứu mới

Từ một sai sót bất ngờ đến khám phá khoa học quan trọng

Yilin Wong, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), đã vô tình phát hiện ra hiện tượng này khi quan sát một trong những mẫu thí nghiệm của cô dưới kính hiển vi. Ban đầu, cô chỉ đơn giản bỏ quên một mẫu thí nghiệm qua đêm, trong đó một tấm germanium được phủ màng kim loại mỏng và tiếp xúc với một giọt nước. Khi kiểm tra lại, cô ngạc nhiên nhận thấy những mô hình xoắn ốc tuyệt đẹp được khắc trên bề mặt germanium mà không có bất kỳ sự can thiệp nào của con người.

Sự tò mò đã thôi thúc Wong thực hiện thêm nhiều thí nghiệm để hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành những mô hình này. Cô phát hiện ra rằng, khi thay đổi các yếu tố thí nghiệm như độ dày của lớp màng kim loại, các mô hình xoắn ốc cũng thay đổi theo, tạo ra những hình dạng khác nhau như xoắn ốc Archimedes, xoắn ốc logarit, hình hoa sen hay hoa văn đối xứng xuyên tâm.

Nghiên cứu của Wong sau đó được công bố trên tạp chí Physical Review Materials và nhanh chóng thu hút sự chú ý của giới khoa học.

Cơ chế hình thành mô hình: Kết hợp giữa phản ứng hóa học và ứng suất cơ học

Để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành mô hình, Wong cùng giáo sư vật lý Giovanni Zocchi tại UCLA đã tiến hành một loạt thí nghiệm kiểm soát. Họ tạo ra một hệ thống gồm một lớp crom dày 10 nanomet và một lớp vàng 4 nanomet bay hơi trên bề mặt germanium. Sau đó, họ nhỏ một giọt dung dịch ăn mòn nhẹ lên bề mặt chip, để qua đêm, rồi làm sạch chip bằng dung dịch khắc và ủ lại trong môi trường ẩm để hạn chế sự bay hơi.

Theo Zocchi, hệ thống này hoạt động giống như một tụ điện, trong đó các lớp kim loại tương tác với dung dịch hóa học để tạo ra các phản ứng đặc biệt. Trong vòng 24 đến 48 giờ, phản ứng xúc tác diễn ra, làm cho các lớp crom và vàng chịu ứng suất và tách khỏi bề mặt germanium. Lực căng và nén sinh ra từ quá trình này dẫn đến sự hình thành các nếp nhăn trong màng kim loại. Dưới tác động tiếp tục của phản ứng hóa học, những nếp nhăn này được khắc thành những mô hình đáng kinh ngạc trên bề mặt germanium.

Zocchi cho biết: "Độ dày của lớp kim loại, ứng suất cơ học ban đầu và thành phần của dung dịch khắc đều đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định loại mô hình sẽ xuất hiện".

Điều đặc biệt ở phát hiện này là sự kết hợp giữa hai yếu tố: phản ứng hóa học và ứng suất cơ học. Trước đây, các nghiên cứu về sự hình thành mô hình chủ yếu tập trung vào các phản ứng hóa học đơn thuần. Nhưng nghiên cứu của Wong chỉ ra rằng, ứng suất cơ học đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hình dạng cuối cùng của mô hình được tạo ra.

Liên hệ với quá trình sinh học và ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu

Điểm thú vị là cơ chế này không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm mà còn phản ánh một quá trình phổ biến trong tự nhiên. Trong sinh học, các enzyme thường xúc tác cho sự phát triển của tế bào và mô, làm biến dạng các cấu trúc sinh học để tạo ra những hình dạng đặc biệt. Chính sự mất ổn định cơ học này dẫn đến sự hình thành các mô hình phức tạp trong cơ thể sinh vật, tương tự như những gì các nhà khoa học quan sát được trên bề mặt germanium.

Giáo sư Zocchi nhận định: "Trong thế giới sinh học, sự kết hợp giữa phản ứng hóa học và ứng suất cơ học có mặt ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, trong các thí nghiệm phòng thí nghiệm, chúng ta ít khi nghĩ đến yếu tố này vì hầu hết các nghiên cứu về hình thành mô hình đều được thực hiện trong chất lỏng. Phát hiện này cung cấp cho chúng ta một hệ thống thí nghiệm phi sinh học để nghiên cứu quá trình này".

Mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu khoa học

Nghiên cứu về sự hình thành mô hình hóa học đã có từ năm 1951 khi nhà hóa học Liên Xô Boris Belousov phát hiện ra các phản ứng hóa học có thể tự dao động theo thời gian, đặt nền móng cho nghiên cứu về các hệ thống hóa học không cân bằng. Cùng thời gian đó, nhà toán học Anh Alan Turing cũng đề xuất rằng các phản ứng khuếch tán có thể tự tạo thành các mô hình như sọc hoặc chấm trên cơ thể sinh vật.

Tuy nhiên, từ những năm 1950 đến nay, phần lớn các nghiên cứu về sự hình thành mô hình hóa học vẫn dựa trên các nguyên lý cũ. Hệ thống thí nghiệm của Wong và Zocchi đã mở ra một bước tiến mới, giúp nghiên cứu sự kết hợp giữa phản ứng hóa học và ứng suất cơ học một cách trực quan hơn trong môi trường phòng thí nghiệm.

Với tiềm năng ứng dụng rộng rãi, phát hiện này có thể giúp hiểu rõ hơn về sự phát triển của vật liệu, cách vết nứt hình thành trên bề mặt kim loại, cũng như cơ chế ảnh hưởng của ứng suất lên sự phát triển sinh học. Trong tương lai, nghiên cứu này có thể mở đường cho các ứng dụng trong công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến, kỹ thuật nano và sinh học phân tử.