Hình ảnh mô hình chuỗi các nguyên tử cacbon sắp xếp giống như đơn vị cơ bản của một cấu trúc kim cương

Theo các tác giả công trình nghiên cứu cho biết, loại sợi nano chế tạo có một cấu trúc đặc biệt, chưa từng có trước đây. Lõi của những sợi nano này là một dải mảnh gồm các nguyên tử carbon sắp xếp giống như đơn vị cơ bản của một cấu trúc kim cương, đó là các vòng cyclohexane dạng zig zag với các đỉnh là sáu nguyên tử carbon liên kết mạch đơn, trong đó mỗi nguyên tử carbon được bao quanh bởi các nguyên tử khác sắp xếp theo hình chóp tam giác - kim tự tháp tạo thành một khối tứ diện. Các nhà nghiên cứu ví nó giống như một chuỗi vòng trang sức thu nhỏ kết nối những viên kim cương nhỏ nhất có thể. Do loại sợi nano này có lõi bằng kim cương nên chúng được các nhà nghiên cứu hy vọng rằng sẽ chứng tỏ được những đặc tính đặc biệt khác lạ, với độ cứng, độ bền cực cao và vô cùng hữu dụng.

Nhóm nghiên cứu đã đạt được kết quả trên kế thừa nỗ lực trong gần một thế kỷ, các phòng thí nghiệm khác đã từng triển khai nhưng gặp thất bại trong việc nén các phân tử chứa carbon riêng biệt như benzen lỏng để tạo ra loại vật liệu nano trật tự giống như kim cương. "Chúng tôi sử dụng thiết bị Paris-Edinburgh lớn áp suất cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge để nén một lượng benzen có bề rộng 6 mm, đây là một khối lượng cực kỳ lớn so với các thí nghiệm trước đây", Malcolm Guthrie thuộc Viện khoa học Carnegie,  đồng tác giả công trình nghiên cứu cho biết. "Chúng tôi phát hiện ra rằng việc nới lỏng dần áp lực sau khi đã nén đủ ở nhiệt độ bình thường trong phòng đem lại cho các nguyên tử carbon thời gian cần thiết để phản ứng giữa chúng với nhau và liên kết thành một chuỗi có trật tự cao gồm các khối tứ diện cacbon xếp theo hàng một, tạo thành những nhánh dây nano có lõi kim cương".

Nhóm nghiên cứu Badding là những người đầu tiên đã ghép được các phân tử chứa các nguyên tử carbon để tạo thành cấu trúc hình tứ diện bền vững, sau đó liên kết từng khối tứ diện với nhau theo hàng một để tạo thành một sợi nano dài và mảnh. Loại sợi này có bề ngang cực nhỏ, chỉ bằng vài nguyên tử, nhỏ hơn hàng trăm hàng ngàn lần so với một sợi quang, và mỏng hơn nhiều so với một sợi tóc trung bình của người. Theo lý thuyết của Vin Crespi cho thấy, đây có khả năng là loại vật liệu bền nhất, vật liệu cứng nhất có thể, đồng thời cũng có trọng lượng nhẹ nhất.

Các phân tử nén trong công trình nghiên cứu là benzen - nhân vòng, phẳng chứa sáu nguyên tử carbon và sáu nguyên tử hydro. Kết quả tạo ra sợi nano lõi kim cương được bao quanh bởi các nguyên tử hydro. Trong quá trình nén, các phân tử benzen phẳng xếp chồng lên nhau, uốn cong, và bị phá vỡ. Sau đó, khi các nhà nghiên cứu từ từ nới lỏng áp lực, các nguyên tử kết nối lại theo một cách hoàn toàn khác với trật tự cao. Kết quả là một cấu trúc có các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu hình kim cương tứ diện với các nguyên tử hydro đính vào ở một phía và các tứ diện liên kết lần lượt để tạo thành một sợi nano dài, mỏng.

Theo giải thích của các tác giả thuộc nhóm nghiên cứu, các nguyên tử trong phân tử benzen tự liên kết với nhau lại ở nhiệt độ phòng là do, khi phân tử benzen bị phá vỡ dưới áp suất rất cao, các nguyên tử của nó muốn bám vào một nguyên tử khác, nhưng chúng không thể di chuyển xung quanh do áp lực nén cao đã loại bỏ không gian giữa chúng. Phân tử benzen này sau đó trở nên mang tính phản ứng cao đến mức khi áp suất được nới  lỏng rất chậm, thì  phản ứng trùng hợp có trật tự đã xảy ra và tạo nên các sợi nano lõi kim cương.

Các nhà khoa học cho biết, cấu trúc sợi nano lõi kim cương của họ được chế tạo tại đại học bang Pennsylvania, với sự hợp tác của phòng thí nghiệm Oak Ridge, Đại học bang Arizona, và Viện khoa học Carnegie, sử dụng một số phương pháp bao gồm nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, phổ học Raman, tính toán nền tảng, kính hiển vi điện tử truyền qua, và cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (NMR). Hiện tại, do sử dụng áp lực cao để tạo ra mẻ vật liệu sợi nano kim cương đầu tiên gây hạn chế lượng sản phẩm tạo ra, họ mới  chỉ sản xuất được một vài mm khối một lần, vì vậy chưa sản xuất đủ để có thể sử dụng trên quy mô công nghiệp. Một trong những mục tiêu khoa học chủ yếu đó là loại bỏ hạn chế đó bằng cách tìm ra cơ chế hóa học cần thiết để chế tạo sợi nano kim cương trong điều kiện thực tế hơn.

Loại sợi nano này có thể là thành viên đầu tiên của một thế hệ mới gồm các vật liệu nano có cấu trúc lõi tứ diện có độ bền cứng giống như kim cương. Nhóm nghiên cứu cho biết, có thể gắn thêm các dạng nguyên tử khác xung quanh lõi carbon và hydro. Các nhà khoa học đang hướng đến mục tiêu tương lai là có thể tích hợp thêm các nguyên tử khác vào sản phẩm sợi nano đạt được, bằng cách nén một loại chất lỏng thiết kế, sẽ có thể chế tạo ra một số lượng lớn các loại vật liệu khác nhau.

Ứng dụng tiềm năng được quan tâm nhất của loại sợi nano kim cương này là những vật liệu có những đặc tính vượt trội về độ bền, độ cứng, có trọng lượng nhẹ - đặc biệt là những loại vật liệu có thể giúp bảo vệ khí quyển, trong đó có các loại phương tiện trọng lượng nhẹ hơn, hiệu suất nhiên liệu cao hơn, và do đó ít gây ô nhiễm hơn.

"Một trong những ước mơ của chúng tôi về loại vật liệu nano này là việc có thể sử dụng chúng để chế tạo loại cáp nhẹ siêu bền nhằm xây dựng một chiếc "tháng máy vũ trụ", điều mà cho đến nay mới chỉ tồn tại như một hư cấu khoa học" - Giáo sư Badding cho biết.

Mai Theo Nanowerk