Tránh đường đi graphene, borophene mới là vật liệu kỳ diệu của tương lai

Cách đây không lâu, graphene được giới khoa học toàn thế giới vinh danh là vật liệu kỳ diệu của tương lai. Nó là một tấm carbon cực bền chắc, độ dày tính bằng đường kính nguyên tử, có thể được “biến hóa” thành những hình dạng khác nhau. Nhờ khả năng dẫn điện của nó, các nhà khoa học vật chất tin rằng kỷ nguyên của bộ vi xử lý máy tính làm từ graphene đã gần kề. Liên minh EU chi tận 1 tỷ euro để kích cầu ngành công nghiệp graphene phát triển.

Nhưng giấc mơ chưa thành sự thực, graphene chưa xuất hiện khắp nơi, nhưng nó cũng đã mở đường cho ngành khoa học vật chất tìm ra được những thứ mới. Một trong những ứng cử viên sáng giá nhất là borophene: một lớp nguyên tử bo mỏng có thể được xếp thành nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau.

Một khối bo

Khả năng ứng dụng vào nhiều ngành, sử dụng vào nhiều mục đích của borophene chính là thứ khiến nó đặc biệt. Các nhà điện hóa học cho rằng borophene có thể được dùng trong sản xuất anode cho pin lithium-ion thế hệ mới; khả năng xúc tác của borophene làm giới khoa học vô cùng thích thú. Các nhà vật lý học đang thử nghiệm khả năng của nó trong việc phát hiện nhiều loại nguyên tử và phân tử.

Mới chỉ tháng trước, nhà khoa học Zhi-Quiang Wang và một số cộng sự công tác tại Đại học Xiamen cùng ngồi lại, phân tích kỹ những tính chất của borophene và những ứng dụng có thể có.

Lịch sử phát triển của borophene cũng ngắn lắm. Từ thập niên 90, các nhà vật lý học đã lần đầu tiên dự đoán được sự tồn tại của chúng, thông qua một chương trình giả lập cách nguyên tử bo hợp lại thành một lớp bo mỏng.

Đến năm 2015, ta đã tổng hợp được borophene, bằng cách phả khí gas nóng đậm đặc các phân tử bo vào một bề mặt lạnh làm từ thép nguyên chất.

Cách sắp xếp các nguyên tử sắt đã ép nguyên tử bo vào một khuôn mẫu tương tự, cứ 6 nguyên tử bo lại ghép lại với nhau thành một hình lục giác. Tuy nhiên, một phần lớn các nguyên tử bo lại chỉ kết hợp với 4 hoặc 5 nguyên tử bo khác, tạo nên lỗ hổng trong cấu trúc lục giác. Chính khoảng trống đó khiến tinh thể borophene đặc biệt.

Bởi borophene là sản phẩm nhân tạo, nên các nhà khoa học tìm nhiều cách để cho nó thêm những đặc tính riêng. Sau thử nghiệm, hóa ra borophene còn rắn chắc và linh hoạt hơn cả graphene. Nó truyền dẫn cả điện và nhiệt đều rất tốt, lại còn có đặc tính siêu dẫn. Những yếu tố trên có được dựa vào các khoảng trống trong cấu trúc borophene, thay đổi khoảng trống là thay đổi được đặc tính, thế nên các nhà khoa học mới sốt sắng tìm đường ứng dụng borophene vào thực tế.

Thuộc tính của borophene không chỉ có vậy. Chúng còn nhẹ và phản ứng tốt với nhiều loại chất, khiến borophene trở thành ứng cử viên cho việc lưu trữ ion có trong pin. “Hứa hẹn borophene sẽ được dùng để chế tạo cực dương cho pin ion Lithium, Natri và Magie, dựa trên những thuộc tính đã dự đoán được của nó, như dẫn điện và vận chuyển ion”, nhà nghiên cứu Wang và cộng sự nói.

Nguyên tử hydro cũng bám rất dễ lên cấu trúc borophene, khiến vật chất kỳ diệu tiềm năng có thể trở thành công cụ lưu trữ hydro hiệu quả. Những nghiên cứu mang tính giả thuyết cho thấy borophene có thể chứa được lượng hydro bằng 15% khối lượng bản thân, con số vượt trội so với bất kỳ vật liệu nào khác.

Borophene còn khả năng xúc tác, phân tách được nguyên tử hydro thành ion hydro, phân tách nước thành ion của hydro và oxy. Trên lý thuyết, borophene có thể dẫn đầu kỷ nguyên mới, nơi ta có thể sử dụng nước để tạo năng lượng hiệu quả hơn bao giờ hết.

Nhiều khi, có những thứ quá tuyệt hảo để mà trở thành sự thực. Các nhà hóa học cần thử nghiệm nhiều nữa trước khi borophene có thể đi tiên phong trong bất cứ ngành nghề gì. Cứ đi từ việc đơn giản trước, ta chưa rõ cách thức sản xuất borophene số lượng lớn để thử nghiệm và ứng dụng. Khả năng phản ứng của borophene sẽ khiến nó dễ bị oxi hóa, thế nên sẽ cần cách khắc phục điểm yếu này.

Cả hai yếu tố trên khiến borophene vừa đắt đỏ lại vừa khó thí nghiệm. Trước mắt còn nhiều việc lắm, nhưng điều đó không làm nhụt chí các nhà nghiên cứu. Ta đã có những nghiên cứu đầu tiên chỉ ra sự kỳ diệu của borophene, nhiều khả năng đây mới là thứ vật liệu được hứa hẹn.

Bên cạnh graphene, borophene là Azor Ahai của thế giới khoa học vật chất.

Tham khảo MIT Technology Review