Các nhà khoa học Hoa Kỳ và Nhật Bản đã hợp tác chế tạo thành công xi măng mayenite mới. Đây là vật liệu thông minh với khả năng chuyển đổi từ chất cách nhiệt thành chất dẫn nhiệt trong suốt và ngược lại. Vật liệu này còn có các tính chất độc đáo khác, phù hợp để sản xuất các hóa chất công nghiệp như amoniac hay làm chất bán dẫn cho màn hình phẳng.

Bí mật về khả năng kỳ lạ của xi măng mayenite nằm ở sự thay đổi nhỏ trong thành phần hóa học. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu không biết vì sao thay đổi này lại gây ảnh hưởng lớn đến vật liệu còn được gọi là C12A7 này đến vậy. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh cách các thành phần của C12A7, được gọi là điện tử ion âm chuyển đổi C12A7 tinh thể thành thủy tinh bán dẫn.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình máy tính để phóng đại điện tử cùng với các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Từ đó, họ đã chứng minh được rằng sự thay đổi nhỏ về thành phần dẫn đến những thay đổi lớn tính chất của thủy tinh và cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình hình thành thủy tinh như thế nào.

"Chúng tôi muốn loại bỏ indi và galli hiện đang được sử dụng trong hầu hết mọi loại màn hình phẳng", Peter Sushko, nhà khoa học vật liệu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết. "Nghiên cứu này sẽ hướng chúng tôi đến việc thay thế chúng bằng các nguyên tố dồi dào không độc hại như canxi và nhôm".

Cách đây hơn một thập kỷ, Hideo Hosono, nhà khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ Tokyo và các cộng sự đã tách nguyên tử oxy từ tinh thể của oxit C12A7 và biến đổi vật liệu cách điện trong suốt thành chất dẫn điện trong suốt. Chuyển đổi này hiếm xảy ra vì hầu hết các chất dẫn điện không trong suốt (như kim loại) và hầu hết các vật liệu trong suốt không dẫn điện (như kính cửa sổ).

Đối với tinh thể, việc tách oxy khỏi oxit C12A7 để lại một cặp điện tử và tạo ra vật liệu electride. Vật liệu này khá ổn định trong môi trường không khí, nước và nhiệt độ xung quanh, trong khi hầu hết các electride tan rã trong những điều kiện này. Các nhà khoa học vật liệu muốn khai thác cấu trúc và tính chất của electride C12A7 vì tính ổn định của nó. Tuy nhiên, tính chất tinh thể của vật liệu không phù hợp với các quy trình công nghiệp quy mô lớn nên các nhà nghiên cứu cần phải tạo ra một loại thủy tinh tương đương với C12A7 electride.

Cách đây vài năm, các nhà nghiên cứu đã làm được điều này. Hosono và các cộng sự đã chuyển đổi electride C12A7 tinh thể thành thủy tinh. Loại thủy tinh này mang nhiều tính chất của electride tinh thể như tính ổn định đáng chú ý.

Các tinh thể được sắp xếp ngăn nắp theo trật tự trong khi thủy tinh lại được sắp xếp lộn xộn và không theo trật tự. Vì vậy, để chế tạo thủy tinh, các nhà nghiên cứu đã làm tan chảy tinh thể và làm mát chất lỏng theo hướng để trật tự sắp xếp của tinh thể không bị thay đổi. Với C12A7, electride tạo thành thủy tinh ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 200 độ so với các oxit thông thường.

Mức nhiệt này là điểm mà các nguyên tử ngừng tan chảy như chất lỏng và đông lại ngay, được gọi là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh. Kiểm soát nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát một số tính chất của vật liệu như cách lốp xe mòn dần và hoạt động trong điều kiện thời tiết xấu phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của loại cao su sản xuất lốp.

Sushko, Lewis Johnson tại PNNL, Hosono và các cộng sự khác tại Viện Công nghệ Tokyo muốn xác định nguyên nhân vì sao nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của electride lại thấp hơn nhiều so với của oxit. Họ cho rằng các thành phần của electride, được gọi là điện tử ion âm là nguyên nhân. Về bản chất, các điện tử ion âm là điện tử di chuyển tự do tại vị trí của các nguyên tử oxy tích điện âm lớn hơn, giúp oxit tạo nên tinh thể sắp xếp theo trật tự.

Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng các thí nghiệm bằng cách sử dụng phần mềm động lực phân tử để ghi lại chuyển động của các nguyên tử và điện tử ion âm trong cả vật liệu nóng chảy và thủy tinh. Kết quả cho thấy các điện tử ion âm kết hợp thành cặp giữa các nguyên tử nhôm hoặc canxi tích điện dương bằng cách thay thế các nguyên tử oxy mang điện tích âm thường được tìm thấy giữa các kim loại.

Liên kết do các điện tử ion âm tạo thành giữa các nguyên tử kim loại yếu hơn so với liên kết giữa các kim loại và nguyên tử oxy. Các liên kết yếu này cũng có thể di chuyển nhanh qua vật liệu, làm cho sự tác động của một lượng nhỏ các điện tử ion âm đến nhiệt độ chuyển pha thủy tinh mạnh hơn so với một lượng lớn các khoáng chất thường dùng làm phụ gia trong thủy tinh.

Để loại bỏ các yếu tố khác làm cho nhiệt độ chuyển pha thấp hơn như điện tích hoặc thay đổi trong các nguyên tử oxy, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng vật liệu có thành phần tương tự như electride C12A7 nhưng với các điện tử trải đều toàn bộ vật liệu thay vì tập trung trong các điện tử ion âm. Trong mô phỏng này, nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cũng không khác so với oxit C12A7. Kết quả này dẫn đến khẳng định mạng lưới liên kết yếu được hình thành bởi các điện tử ion âm làm thay đổi nhiệt độ chuyển pha thủy tinh.

Theo các nhà khoa học, các điện tử ion âm tạo thành liên kết mới yếu ớt, có thể ảnh hưởng đến các điều kiện để từ đó một vật liệu tạo thành thủy tinh. Họ đã kết hợp các loại phụ gia thông thường, làm cho vật liệu mất khả năng hình thành các chuỗi nguyên tử dài như fluorua hoặc tạo các liên kết yếu theo hướng ngẫu nhiên giữa các nguyên tử của điện tích trái dấu như natri. Nghiên cứu cho thấy các nhà khoa học có thể kiểm soát nhiệt độ chuyển pha bằng cách thay đổi số lượng các điện tử ion âm mà họ sử dụng.

Ngọc Diệp (Theo sciencedaily.com)