Vật liệu bền nhất hành tinh Graphene có thể bị phá vỡ

Trong quá trình phát triển của xã hội, con người với trí tuệ tuyệt vời, không ngừng tạo ra cái mới và rồi, tìm cách phá vỡ và vượt quá nó. Điều đó đúng theo cả nghĩa đen và nghĩa bóng. Chỉ một vài năm trước, khi người ta chế tạo ra Graphene - loại vật liệu siêu mỏng- siêu bền, ít ai nghĩ rằng chỉ một vài năm sau đó người ta cũng tìm ra cách phá vỡ nó.

Năm 2008, nhóm nghiên cứu của trường kỹ thuật và khoa học ứng dụng Fu Foundation thuộc đại học Columbia đã tạo ra graphene tinh khiết - một lớp carbon với bề dày chỉ bằng 1 nguyên tử, là chất liệu bền nhất từng được biết đến trong lịch sử loài người. Điều này đã thôi thúc Chris Marianetti, phó giáo sư khoa vật lý và toán học ứng dụng của đại học kỹ thuật Columbia không ngừng tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi: làm thế nào để phá vỡ graphene?

Sử dụng thuyết lượng tử với sự trợ giúp của các siêu máy tính, Marianetti cuối cùng đã tìm ra cơ chế phá vỡ cơ học của loại siêu vật liệu này dưới áp lực căng đàn hồi. Theo Marianetti, nếu có thể làm cho graphene biến dạng theo tất cả các hướng với một lực đồng đều thì cấu trúc của nó sẽ biến đổi thành một dạng ít ổn định hơn.


Cơ chế phá vỡ này thực ra phức tạp hơn nhiều. Để hiểu rõ cơ chế này, trước tiên ta cần làm quen với khái niệm Phonon. Trong vật lý học , một phonon là một giả hạt có đặc tính lượng tử của mode dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn . Phonon có vai trò quan trọng trong vật lý chất rắn , giải thích nhiều tính chất vật lý của các chất rắn, như độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện . Hạt phonon là miêu tả của cơ học lượng tử về một dạng dao động , gọi là mode cơ bản trong cơ học cổ điển , trong đó mọi vị trí của mạng tinh thể đều dao động với cùng tần số . Mọi dao động bất kỳ trong mạng tinh thể đều có thể coi như sự chồng chập của các dao động cơ bản này (thông qua phân tích Fourier ).

Nói một cách đơn giản, Phonon là tập hợp “phương thức rung” của các nguyên tử trong một tinh thể, tương tự như hiện tượng lan truyền sóng trong lòng chất lỏng. Phonon trở nên “mềm” đi dưới sức căng đàn hồi có nghĩa là hệ thống có thể giảm lượng năng lượng bằng cách làm biến dạng cấu trúc tinh thể, làm lệch lạc vị trí các nguyên tử trong thể rung và chuyển đổi chúng thành một chuỗi tinh thể mới. Dưới sức căng vừa phải, graphene bị thay đổi cấu trúc tinh thể, và trở thành một dạng phonon không ổn định do các nguyên tử carbon sắp xếp theo hình tổ ong đều đặn bị kéo xa dần theo hướng của đỉnh vòng lục giác. Dạng tinh thể mới hình thành này yếu hơn về mặt cấu trúc, đó chính là kết quả của cơ chế bẻ gãy cơ học lớp chất liệu graphene.


Các nhà khoa học nhận định đây là lần đầu tiên phonon “mềm” được liên hệ với cơ chế bẻ gãy cơ học và vì vậy, có khả năng cơ chế này không chỉ có hiệu quả với graphene mà còn với nhiều chất liệu cực mỏng khác. Nghiên cứu của Marianetti sẽ rất hữu ích nếu được ứng dụng vào mô hình hóa hoạt động của các loại vật liệu ở cấp độ nguyên tử bằng cách sử dụng các cơ chế cổ lượng tử cổ điển. Đặc biệt, nghiên cứu còn tập trung vào việc thử nghiệm cơ chế mới cho các vật liệu có tiềm năng lưu trữ và chuyển đổi năng lượng lớn. Những ứng dụng hiện tại trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu này rất phong phú, từ các loại vật liệu hạt nhân như plutonium tới vật liệu chế tạo pin điện như oxit Coban.

Marianetti đã nhận được bằng BS và MS từ Đại học bang Ohio và bằng PhD về khoa học và kỹ thuật vật liệu của MIT. Trước khi tham gia giảng dạy tại học kĩ thuật Columbia, ông đã nghiên cứu sau tiến sĩ tại khoa vật lý tại đại học Rutgers.