Các nhà khoa học Trung Quốc chế tạo màng graphene siêu bền, độ bền kéo đạt 2,9 GPa, vốn được coi là bất khả thi về mặt lý thuyết
Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển thành công một loại màng graphene có đặc tính vượt qua những giới hạn được cho là khó dung hòa trong lý thuyết vật liệu truyền thống. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Cao Chao thuộc Đại học Chiết Giang dẫn đầu, phối hợp với các nhà khoa học Đại học Thanh Hoa, đã tạo ra loại màng graphene có hiệu năng vượt trội bằng cách sắp xếp các đơn vị graphene đan cài với nhau theo cấu trúc tương tự những mảnh ghép.
Theo lý thuyết vật liệu truyền thống, việc kết hợp đồng thời ba đặc tính gồm độ bền cao, độ dai lớn và khả năng đàn hồi tốt được xem là một thách thức rất khó vượt qua. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đã hiện thực hóa sự kết hợp này trong thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature.
Graphene là vật liệu hai chiều đầu tiên được con người chế tạo thành công ở quy mô vĩ mô. Bản thân một lớp graphene đơn có độ bền rất cao, nhưng khi ép nhiều lớp graphene mỏng lại với nhau để tạo thành một tấm màng lớn, các đặc tính cơ học của vật liệu thường suy giảm đáng kể.
Nguyên nhân nằm ở cấu trúc bề mặt đặc biệt nhẵn của graphene. Độ phẳng của vật liệu đạt đến cấp độ nguyên tử, khiến graphene trở thành một trong những vật liệu màng rắn có bề mặt nhẵn nhất từng được biết đến.
Tuy nhiên, chính đặc điểm này lại tạo ra một vấn đề: các lớp graphene dễ trượt lên nhau khi chịu tác động của ngoại lực. Điều đó khiến lực tác động không thể phân bố đồng đều trên toàn bộ cấu trúc. Thay vào đó, chỉ một số ít lớp graphene phải chịu phần lớn tải trọng, khiến vật liệu dễ bị tách lớp và đứt gãy.
Thay vì tiếp tục sử dụng phương pháp xếp chồng các lớp graphene phẳng theo cách truyền thống, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hướng tiếp cận mới bằng cách tạo ra cấu trúc phân lớp với các nếp gấp đan cài vào nhau.
Có thể hình dung các đơn vị graphene được tạo hình thành những nếp gấp liên kết, khiến các lớp tự khóa chặt vào nhau thay vì dễ dàng trượt qua bề mặt tiếp xúc. Khi vật liệu chịu lực, cấu trúc này làm thay đổi cơ chế truyền tải lực giữa các lớp, đồng thời cho phép cấu trúc linh hoạt chuyển đổi giữa trạng thái chịu kéo và chịu nén.
Thiết kế cấu trúc ở cấp độ vi mô này giúp hạn chế hiện tượng trượt giữa các lớp graphene, cải thiện khả năng phân bố ứng suất và nâng cao độ bền tổng thể của màng vật liệu.
Đáng chú ý, màng graphene có khối lượng và độ dày thấp hơn đáng kể so với thép, mở ra tiềm năng ứng dụng trong những lĩnh vực đòi hỏi vật liệu vừa nhẹ vừa có khả năng chịu lực cao.
Nghiên cứu này không chỉ cải thiện hiệu năng của màng graphene mà còn đưa ra một hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu. Thay vì chỉ tập trung vào thành phần hóa học, các nhà khoa học có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô để giải quyết những hạn chế vốn được xem là khó tránh khỏi.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế cấu trúc phù hợp có thể giúp vật liệu vượt qua những giới hạn về tính chất cơ học, đồng thời cung cấp thêm hướng phát triển cho các vật liệu hai chiều trong tương lai.
Theo lý thuyết vật liệu truyền thống, việc kết hợp đồng thời ba đặc tính gồm độ bền cao, độ dai lớn và khả năng đàn hồi tốt được xem là một thách thức rất khó vượt qua. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đã hiện thực hóa sự kết hợp này trong thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature.
Graphene là vật liệu hai chiều đầu tiên được con người chế tạo thành công ở quy mô vĩ mô. Bản thân một lớp graphene đơn có độ bền rất cao, nhưng khi ép nhiều lớp graphene mỏng lại với nhau để tạo thành một tấm màng lớn, các đặc tính cơ học của vật liệu thường suy giảm đáng kể.
Nguyên nhân nằm ở cấu trúc bề mặt đặc biệt nhẵn của graphene. Độ phẳng của vật liệu đạt đến cấp độ nguyên tử, khiến graphene trở thành một trong những vật liệu màng rắn có bề mặt nhẵn nhất từng được biết đến.
Tuy nhiên, chính đặc điểm này lại tạo ra một vấn đề: các lớp graphene dễ trượt lên nhau khi chịu tác động của ngoại lực. Điều đó khiến lực tác động không thể phân bố đồng đều trên toàn bộ cấu trúc. Thay vào đó, chỉ một số ít lớp graphene phải chịu phần lớn tải trọng, khiến vật liệu dễ bị tách lớp và đứt gãy.
Cấu trúc gấp nếp đan cài giúp cải thiện độ bền
Thay vì tiếp tục sử dụng phương pháp xếp chồng các lớp graphene phẳng theo cách truyền thống, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hướng tiếp cận mới bằng cách tạo ra cấu trúc phân lớp với các nếp gấp đan cài vào nhau.
Thiết kế cấu trúc ở cấp độ vi mô này giúp hạn chế hiện tượng trượt giữa các lớp graphene, cải thiện khả năng phân bố ứng suất và nâng cao độ bền tổng thể của màng vật liệu.
Độ bền kéo đạt 2,9 GPa, tăng 50% so với màng graphene thông thường
Kết quả thử nghiệm cho thấy màng graphene mới có độ bền kéo cao hơn 50% so với màng graphene truyền thống, đạt mức 2,9 GPa. Đây là con số cao hơn độ bền kéo của nhiều loại thép thông dụng.Đáng chú ý, màng graphene có khối lượng và độ dày thấp hơn đáng kể so với thép, mở ra tiềm năng ứng dụng trong những lĩnh vực đòi hỏi vật liệu vừa nhẹ vừa có khả năng chịu lực cao.
Nghiên cứu này không chỉ cải thiện hiệu năng của màng graphene mà còn đưa ra một hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu. Thay vì chỉ tập trung vào thành phần hóa học, các nhà khoa học có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô để giải quyết những hạn chế vốn được xem là khó tránh khỏi.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế cấu trúc phù hợp có thể giúp vật liệu vượt qua những giới hạn về tính chất cơ học, đồng thời cung cấp thêm hướng phát triển cho các vật liệu hai chiều trong tương lai.