Graphene uốn cong như đàn accordion: Bước ngoặt cho vật liệu kỳ diệu

Graphene – vật liệu 2D được ca ngợi là “kỳ diệu” nhờ vào độ bền cao và khả năng dẫn điện tuyệt vời – từ lâu vẫn nổi tiếng vì quá… cứng nhắc. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Vienna và Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien) vừa đạt được bước đột phá: họ đã làm cho graphene trở nên linh hoạt hơn một cách đáng kinh ngạc bằng cách tạo các khiếm khuyết cực nhỏ trên bề mặt vật liệu.

Thay vì giữ nguyên dạng phẳng và cứng như thông thường, graphene được xử lý bằng các ion argon năng lượng thấp (dưới 200 eV) để “lấy đi” một số nguyên tử carbon, tạo ra các khuyết điểm gọi là vacancy (lỗ trống nguyên tử). Nhờ đó, graphene hình thành các nếp gấp giống như đàn accordion, giúp nó co giãn và uốn cong dễ dàng hơn.

Dẫn đầu nghiên cứu, giáo sư Jani Kotakoski cho biết nhóm đã phát triển một hệ thống thí nghiệm đặc biệt giữ cho graphene hoàn toàn sạch sẽ, không bụi và không khí – yếu tố tối quan trọng khi nghiên cứu vật liệu mỏng đến mức nguyên tử. Nhà nghiên cứu Wael Joudi – tác giả chính – nhấn mạnh: “Nếu có bụi hay tạp chất trên bề mặt, chúng sẽ ngăn cản quá trình tạo sóng và khiến graphene cứng hơn, không còn linh hoạt nữa”.

Sau khi thêm khuyết điểm, nhóm đo được độ đàn hồi hai chiều (elastic modulus) của graphene giảm mạnh, từ 286 N/m xuống còn 158 N/m – một mức giảm lớn hơn cả những dự đoán lý thuyết trước đây. Điều này lý giải vì sao trước đó các nghiên cứu khác lại cho ra kết quả không đồng nhất về độ cứng của graphene.

Theo Joudi, ta có thể hình dung graphene đã xử lý như một tấm đàn accordion: khi kéo căng, các nếp gấp dần phẳng ra, giúp vật liệu kéo giãn dễ hơn nhiều so với bề mặt phẳng hoàn toàn.

Nhóm nghiên cứu còn tiến hành mô phỏng số nhờ sự hỗ trợ của các nhà vật lý Rika Saskia Windisch và Florian Libisch, qua đó xác nhận hiệu ứng gợn sóng là nguyên nhân chính làm mềm vật liệu. Điều thú vị là chỉ khi có từ hai khuyết điểm trở lên nằm gần nhau thì hiệu ứng sóng mới đủ mạnh để ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất cơ học.

Phát hiện này có thể mang lại làn gió mới cho lĩnh vực công nghệ đeo được (wearables), điện tử dẻo, các thiết bị có thể cuộn gọn (rollables) hay thậm chí cả cảm biến sinh học trên da. Việc điều chỉnh độ cứng của graphene một cách có kiểm soát không chỉ giúp mở rộng tính ứng dụng mà còn đưa công nghệ vật liệu 2D đến gần thực tiễn hơn.

Joudi kết luận: “Chúng tôi đã chứng minh rằng điều kiện môi trường, đặc biệt là độ sạch của bề mặt, ảnh hưởng sâu sắc tới tính chất cơ học của graphene. Giờ đây, chúng ta có thể thiết kế vật liệu vừa siêu mạnh vừa dẻo linh hoạt – điều tưởng chừng mâu thuẫn, nhưng lại hoàn toàn khả thi với graphene.”

Với phát hiện này, graphene không còn chỉ là biểu tượng của độ bền và độ dẫn điện – mà nay đã có thêm “tính uốn cong”, mở ra kỷ nguyên mới cho vật liệu mỏng nhất thế giới.