Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ sáu, 01/11/2024 | 06:54

Thứ sáu, 01/11/2024 | 06:54

Tin KHCN

Cập nhật lúc 09:44 ngày 09/09/2014

Sản xuất màng nano khả thi mỏng nhất

Một loại màng nano mới được làm từ ‘siêu vật liệu’ graphen rất nhẹ và thoáng khí. Nghiên cứu này không chỉ có thể mở cánh cửa cho một thế hệ mới vải chức năng không thấm nước, mà còn được sử dụng cho lọc siêu nhanh. Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã sản xuất màng mỏng nhất khả thi về mặt công nghệ.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra một màng xốp ổn định, mỏng hơn một nanomet, có nghĩa là mỏng hơn đường kính sợi tóc người 100.000 lần. Lớp màng này gồm hai lớp “siêu vật liệu” graphene là các màng mỏng hai chiều làm bằng các nguyên tử cacbon, trên đó nhóm nghiên cứu, do Giáo sư Hyung Gyu Park tại Khoa Cơ khí và Kỹ thuật chế biến tại ETH Zurich dẫn đầu, khắc các lỗ cực nhỏ với kích thước xác định một cách chính xác. 

Lớp màng do đó có thể thấm các phân tử cực nhỏ. Ngoài ra, các phân tử lớn hơn hay các hạt chỉ có thể đi qua một cách chậm chạp hoặc không thể đi qua. “Với độ dày chỉ hai nguyên tử cacbon, đây là màng xốp mỏng nhất khả thi về mặt công nghệ”, nghiên cứu sinh tiến sĩ Jakob Buchheim, một trong hai tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.

Màng graphene siêu mỏng này một ngày nào đó có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cả quần áo không thấm nước. “Lớp màng của chúng tôi không chỉ rất nhẹ và mềm dẻo, mà nó còn thoáng hơn màng Goretex một ngàn lần”, Tiến sĩ Kemal Celebi của phòng thí nghiệm và cũng là một trong những tác giả chính của nghiên cứu nói. Lớp màng này cũng có thể có khả năng được sử dụng để tách hỗn hợp khí thành các khí cấu thành của chúng hoặc để lọc các tạp chất trong chất lỏng. Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng màng graphene có thể phù hợp với hệ thống lọc nước. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra tiềm năng sử dụng lớp màng này trong các thiết bị đo lường chính xác lượng khí và tốc độ dòng chảy của chất lỏng, một kỹ thuật rất quan trọng để khám phá ra cơ chế vật lý xung quanh sự chuyển khối ở cấp nano và tách các hỗn hợp hóa học.

Đột phá trong chế tạo nano

Các nhà nghiên cứu không chỉ thành công trong việc sản xuất nguyên liệu ban đầu, một lớp màng mỏng graphene rất tinh khiết có hai lớp, mà họ còn làm chủ một kỹ thuật được gọi là nghiền bằng chùm ion hội tụ (focused ion beam milling) để khắc các lỗ nhỏ lên trên lớp màng graphene. Trong quá trình này, một chùm ion heli hay gali được kiểm soát với độ chính xác cao khắc lên vật liệu. Kỹ thuật này cũng được sử dụng trong sản xuất chấn bán dẫn. Các nhà nghiên cứu đã có thể khắc các lỗ cực nhỏ với số lượng và kích thước quy định lên trên graphene với độ chính xác chưa từng có. Quá trình này trước đây có thể mất nhiều ngày để hoàn thành thì trong nghiên cứu này chỉ mất một vài giờ. “Đây là một bước đột phá cho phép chế tạo màng graphene xốp ở cấp nano”, Ivan Shorubalko, nhà khoa học tại Empa, cho biết.

Để đạt được độ chính xác như vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai lớp graphene. “Phương pháp này không thể tạo ra một lớp màng như vậy chỉ với một lớp graphene vì trong thực tế graphene không phải là loại vật liệu hoàn hảo”, Park nói. Vật liệu này có thể có những bất thường nào đó trong cấu trúc tổ ong của các nguyên tử cacbon. Đôi khi, các nguyên tử đơn lẻ bị thiếu trong cấu trúc này, không chỉ làm giảm sự ổn định của vật liệu mà còn làm việc cho việc khắc lỗ với độ chính xác cao lên trên một vật liệu khiếm khuyết như vậy không thể thực hiện được. Các nhà nghiên cứu giải quyết vấn đề này bằng cách đặt chồng hai lớp graphene lên trên nhau. Xác suất của hai lớp khiếm khuyết được đặt trực tiếp lên nhau là rất thấp, Park giải thích.

Lọc nhanh nhất có thể

Một lợi thế quan trọng của các kích thước cực nhỏ đó là màng càng mỏng thì điện trở của nó càng thấp. Điện trở càng thấp, hiệu suất năng lượng của quá trình lọc càng cao. “Với các màng mỏng cấp nguyên tử như vậy, chúng tôi có thể đạt được hiệu suất thẩm thấu tối đa cho màng có kích thước lỗ nhỏ nhất định và chúng tôi tin rằng có thể lọc với tốc độ khả thi nhanh nhất”, Celebi nói. Tuy nhiên, trước khi các ứng dụng đã sẵn sàng để sử dụng trên quy mô công nghiệp hoặc sản xuất quần áo không thấm nước, quá trình sản xuất cần phải được phát triển hơn nữa. Mục tiêu từ bây giờ sẽ là chế tạo các bề mặt màng lớn hơn và áp dụng các cơ chế lọc khác nhau.

Mai Anh Theo Phys.Org.com

 

lên đầu trang