Graphene là một tấm nguyên tử carbon dày, không chỉ rất linh hoạt mà còn cứng hơn cả kim cương và mạnh mẽ hơn cả thép, chúng cũng vừa trở thành một chất siêu dẫn. Nhưng các nhà nghiên cứu mới đây đã dự đoán sẽ tạo một loại vật chất còn kì lạ hơn cả graphene.

Các nhà nghiên cứu vừa mô phỏng chế tạo một vật liệu có nhiều khả năng đặc biệt hơn cả graphene, là một mô hình một chiều chuỗi nguyên tử Bo. Loại vật liệu này thật sự chưa được tạo ra, nó chỉ mới là lý thuyết và được dựng trên mô phỏng máy tính.

Tuy nhiên, lý thuyết và mô phỏng trong phòng thí nghiệm đã tạo ra thành công tấm nguyên tử carbon dày, thì các nhà nghiên cứu dự đoán việc tạo ra chuỗi nguyên tử bo cũng chỉ là vấn đề thời gian, nó sẽ nhanh chóng trở thành sự thật.

Nếu điều này xảy ra, chuỗi nguyên tử bo sẽ trở thành một loại vật chất với khả năng đáng kinh ngạc dựa vào mô phỏng trên máy tính. Ví dụ như khi kéo dài ra, chuỗi kim loại này sẽ trở thành một chất bán dẫn – nghĩa là từ một kim loại không có từ tính có thể dẫn điện với điện trở thậm chí bằng không.

Hoặc khi không sử dụng như một chất bán dẫn, nó có thể thu gọn lại để trở về với hình dạng ban đầu có chiều dày bằng kích cỡ hai nguyên tử. Vật liệu này dự đoán cũng sẽ có độ cứng cơ học ngang tầm với các vật liệu nano hiệu suất cao nhất từng được biết đến.

Và đặc biệt hơn, chúng có thể hoạt động tốt sau các quá trình co giãn nhờ vào một quy luật khiến lực tác dụng không thay đổi trên toàn bộ chúng (các lò xo thường bị tác động gây biến đổi tính chất của nó khi bạn kéo dãn chúng quá dài).

Những điều này vẫn còn là lý thuyết, nhưng không phải là chúng ta không có khả năng thực hiện. Mô phỏng được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu hiện công tác tại Đại học Rice, nhóm này chuyên mô phỏng các vật liệu ở quy mô nhỏ như những nguyên tố, vật liệu chưa từng tồn tại.

Kết quả của họ thu được khá tốt. Trước đây, nhóm nghiên cứu từng dự đoán và mô phỏng những khả năng có thể xảy ra của chuỗi nguyên tố bo hai chiều được gọi là borophene, chuỗi này cũng tương tự như graphene. Tất cả những vật liệu này đã được đi từ phòng thí nghiệm ra ngoài thực tế.

“Nghiên cứu của chúng tôi dựa trên chuỗi carbon trước đây và mặt phẳng bo để tạo ra một chuỗi nguyên tố bo một chiều, là một cấu trúc rất hấp dẫn. Công việc của chúng tôi khá ấn tượng khi sử dụng phương pháp lý thuyết-điện toán hiện đại để đánh giá những cấu trúc chưa hề tồn tại”, trưởng nghiên cứu Boris Yakobson cho biết.

Không giống như graphene, là một tấm nguyên tử carbon dày và có hai chiều, cấu trúc chuỗi bo được nhóm nghiên cứu Đại học Rice mô phỏng tồn tại trong không gian một chiều, bởi nó được cấu tạo từ chuỗi các nguyên tử hoặc chuỗi các nguyên tử đôi.

Thay vì trở nên hai cấu trúc riêng biệt nhau, chuỗi các nguyên tử đơn và đôi lại tạo thành một chuỗi nguyên tử bo một chiều thống nhất.

Điều này có nghĩa là khi chuỗi nguyên tử bo một chiều được kéo dài ra, nó sẽ tự động chuyển đổi từ chuỗi nguyên tử đôi thành chuỗi nguyên tử đơn, rồi chuyển về một lần nữa khi ta thôi kéo giãn.

“Bo là nguyên tố rất khác carbon. Nó thích hợp để sắp xếp các nguyên tử thành một hàng đôi, điều này cho phép chúng ở tình trạng ổn định và ít hao tốn năng lượng nhất”, Yakobson cho biết thêm: 

“Nếu bạn kéo giãn nó ra, nó sẽ tự động giãn nở, các nguyên tử có thể tự thực hiện được việc này; còn khi bạn co nó lại, nó cũng tự động gấp lại. Đây là một cấu trúc khá thú vị, chúng thực hiện đồng thời với nhau để thay đổi tính chất của các nguyên tử”.

Điều tuyệt vời hơn là ở mỗi hình thái khác nhau lại có những khả năng độc đáo khác nhau, chuỗi nguyên tử đơn trở thành một chất bán dẫn, trong khi chuỗi nguyên tử đôi là một kim loại cực bền, có khả năng chống được tác động làm biến dạng.

“Điều này làm cho nó có một sự kết hợp thú vị: khi bạn căng nó ra giữa chừng, nó vừa là một chuỗi nguyên tử đơn và cũng vừa là một chuỗi nguyên tử đôi, khiến nó vừa là kim loại vừa là chất bán dẫn, khiến nó trở thành điốt Schottky”, Yakobson giải thích.

Điốt Schottky là một rào cản electron ở giao điểm của một kim loại và một chất bán dẫn, nó thường được sử dụng như một điốt kiểm soát tình trạng hiện tại và chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu vẫn chưa có ý tưởng nào để biến loại vật chất này thành hiện thực, nhưng một vật liệu có nhiều tính năng phi thường như vậy khiến các nhà khoa học không ngừng nỗ lực để tạo ra nó trong phòng thí nghiệm. Và có thể trong quá trình chế tạo, họ sẽ phát hiện thêm nhiều đặc tính thú vị khác của nó.

Quang Niên (ScienceAlert)