Các nhà khoa học vừa biến những tấm MXene siêu mỏng thành những cuộn nano mạnh mẽ, có thể tăng cường sức mạnh cho mọi thứ, từ pin đến công nghệ lượng tử. Ảnh: Shutterstock

Cuộn nano MXene thúc đẩy dòng năng lượng

Gần 15 năm sau khi phát hiện ra MXenes, một loại vật liệu nano dẫn điện hai chiều đa năng, các nhà nghiên cứu tại Đại học Drexel đã phát triển một phương pháp để tạo ra phiên bản một chiều được gọi là cuộn nano MXene. Những cấu trúc siêu mỏng này, mỏng hơn khoảng 100 lần so với sợi tóc người, thậm chí còn dẫn điện tốt hơn so với các cấu trúc phẳng tương ứng và có thể cải thiện đáng kể các công nghệ như thiết bị lưu trữ năng lượng, cảm biến sinh học và thiết bị điện tử đeo được.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Advanced Materials, giới thiệu một phương pháp có thể mở rộng quy mô để sản xuất các cuộn nano này từ tiền chất MXene đồng thời kiểm soát chính xác hình dạng và thành phần hóa học của chúng.

"Hình thái học hai chiều rất quan trọng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, cũng có những ứng dụng mà hình thái học một chiều lại vượt trội hơn," Tiến sĩ Yury Gogotsi, Giáo sư danh dự của trường Đại học Drexel và là tác giả chính của bài báo, cho biết. "Điều này giống như việc so sánh các tấm thép với các ống kim loại hoặc cốt thép. Người ta cần các tấm thép để làm thân xe, nhưng để bơm nước hoặc gia cố bê tông, cần các ống hoặc thanh dài."

Từ tấm phẳng đến cấu trúc nano dạng ống

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cuộn nano bằng cách cuộn các mảnh MXene phẳng thành các cấu trúc hình ống siêu nhỏ, mỏng hơn khoảng mười nghìn lần so với ống dẫn nước. Các vật liệu dạng ống này có thể tăng cường độ bền của polyme và kim loại hoặc dẫn hướng sự chuyển động của các ion trong pin và hệ thống khử muối với lực cản thấp hơn nhiều.

“Với các vật liệu MXene 2D tiêu chuẩn, các mảnh vật liệu nằm phẳng chồng lên nhau, tạo ra không gian hạn chế và gây khó khăn cho các ion hoặc phân tử di chuyển giữa các lớp,” Tiến sĩ Teng Zhang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. “Bằng cách chuyển đổi các tấm nano 2D thành các cuộn 1D, chúng tôi ngăn chặn hiệu ứng hạn chế nano này. Cấu trúc hình ống mở tạo ra các

“đường cao tốc” hiệu quả cho sự vận chuyển nhanh chóng, cho phép các ion di chuyển tự do.”

Mặc dù các cấu trúc tương tự được làm từ graphene, chẳng hạn như ống nano carbon, đã được biết đến rộng rãi, nhưng việc sản xuất các cuộn nano MXene chất lượng cao và đồng nhất vẫn còn khó khăn. MXene có nhiều ưu điểm hơn graphene, bao gồm tính chất hóa học phong phú hơn, quy trình xử lý dễ dàng hơn và độ dẫn điện cao hơn, nhưng những nỗ lực trước đây để tạo thành các cuộn thường dẫn đến kết quả không đồng đều.

Phương pháp có thể mở rộng để sản xuất các cuộn nano MXene

Để tạo ra các cuộn nano, các nhà nghiên cứu bắt đầu với các mảnh MXene nhiều lớp. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận môi trường hóa học, họ sử dụng nước để thay đổi thành phần hóa học bề mặt của vật liệu. Điều này kích hoạt sự mất cân bằng cấu trúc được gọi là phản ứng Janus, tạo ra sức căng bên trong các lớp. Khi sức căng này được giải phóng, các lớp tách ra và cuộn lại thành những cuộn nhỏ gọn.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công phương pháp này cho sáu loại MXene, bao gồm hai dạng titan cacbua, niobi cacbua, vanadi cacbua, tantali cacbua và titan cacbonitrit. Họ đã có thể sản xuất ổn định 10 gam cuộn nano với các đặc tính hóa học và vật lý được kiểm soát.

Khả năng dẫn điện và cảm biến được cải thiện

Cấu trúc dạng cuộn không chỉ cải thiện độ dẫn điện và độ bền cơ học, mà còn thay đổi cách vật liệu tương tác với các phân tử. Điều này làm cho nó đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng cảm biến và vật liệu composite tiên tiến.

“Trong cấu trúc 2D xếp chồng tiêu chuẩn, các vị trí hoạt động để hấp phụ phân tử thường bị che khuất giữa các lớp, khiến cho các phân tử, đặc biệt là các phân tử sinh học lớn, khó tiếp cận được chúng,” Gogotsi nói. “Cấu trúc rỗng, mở của cuộn giấy giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép các chất phân tích dễ dàng tiếp cận bề mặt MXene. Kết hợp với độ dẫn điện cao và độ cứng cơ học của vật liệu, điều này đảm bảo chúng ta thu được tín hiệu mạnh và ổn định. Do đó, chúng tôi hình dung việc sử dụng các cuộn giấy trong cảm biến sinh học. Bề mặt dễ tiếp cận tương tự của các cuộn giấy dẫn điện có thể hữu ích cho các cảm biến khí, tụ điện hóa học và các thiết bị khác yêu cầu sự tiếp cận của các ion và phân tử đến bề mặt.”

Ứng dụng trong thiết bị điện tử đeo được và vải thông minh

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy tiềm năng lớn của các cuộn nano MXene trong thiết bị điện tử đeo được, còn được gọi là thiết bị ionotronic. Trong các hệ thống này, các cuộn nano có thể vừa gia cường vật liệu vừa cải thiện độ dẫn điện. Cấu trúc cứng chắc của chúng cho phép chúng neo giữ bên trong các polyme mềm, tăng cường độ bền đồng thời duy trì mạng lưới dẫn điện đáng tin cậy.

Sự kết hợp này có thể dẫn đến việc tạo ra các vật liệu co giãn, vẫn tiếp tục hoạt động ngay cả khi bị uốn cong và chuyển động nhiều lần.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra hướng của các cuộn nano trong dung dịch có thể được điều khiển bằng điện trường. Điều này có nghĩa là chúng có thể được căn chỉnh với các sợi trong vải dệt, tạo ra các lớp phủ bền hơn và dẫn điện tốt hơn cho vải thông minh.

"Hãy tưởng tượng việc điều khiển hàng triệu ống nhỏ, mỏng hơn sợi tóc người đến 100 lần, để tạo thành dây dẫn hoặc dựng đứng chúng lên thành bàn chải," Zhang nói. "Đây mới chính là công nghệ nano thực sự, vì chúng ta có thể thao tác vật chất ở cấp độ nano. Đây cũng là một bước phát triển quan trọng đối với các loại vải chức năng, vì các cuộn ống này có thể được tích hợp làm vật liệu gia cường trong sợi tổng hợp."

Siêu dẫn và các ứng dụng lượng tử trong tương lai

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục điều tra về cách thức hoạt động của các cuộn nano này ở cấp độ lượng tử, đặc biệt là tiềm năng siêu dẫn của chúng.

“Cho đến nay, tính siêu dẫn trong loại MXene này chỉ giới hạn ở các viên nén và bột, chưa từng được hiện thực hóa trong các màng được xử lý bằng dung dịch với độ dẻo cơ học,” Gogotsi nói. “Bằng cách sử dụng các cuộn niobi cacbua, chúng tôi đã quan sát thấy sự thay đổi của vật liệu đủ để lần đầu tiên tạo ra tính siêu dẫn trong các màng vĩ mô tự do. Quá trình cuộn tạo ra biến dạng và độ cong mạng tinh thể đặc thù mà không có trong các tấm phẳng. Mặc dù cơ chế vật lý chính xác vẫn đang được nghiên cứu, chúng tôi giả thuyết rằng biến dạng này, kết hợp với cấu trúc 1D liên tục, ổn định trạng thái siêu dẫn.”

Khi sự quan tâm đến vật liệu lượng tử ngày càng tăng, các vật liệu nano như MXene đang thu hút sự chú ý nhờ khả năng cải thiện sức mạnh tính toán và lưu trữ dữ liệu. Công trình này đánh dấu một bước tiến quan trọng bằng cách biến tính siêu dẫn của MXene thành một đặc tính thiết thực và hữu ích hơn.

"Sử dụng các phương pháp được mô tả trong bài báo này giúp chế tạo các MXene siêu dẫn thành màng, lớp phủ hoặc dây dẫn linh hoạt ở nhiệt độ phòng để ứng dụng trong các bộ kết nối siêu dẫn hoặc cảm biến lượng tử", Zhang cho biết. "Chúng tôi kỳ vọng sẽ có nhiều hiện tượng thú vị khác do quá trình cuộn gây ra và sẽ tiếp tục nghiên cứu chúng."