Các nhà khoa học cố ý tạo khuyết tật trong graphene, mở ra những khả năng mới
Đại học Nottingham – ngày 5 tháng 10 năm 2025
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo graphene có chủ đích tạo ra các khiếm khuyết cấu trúc, giúp tăng đáng kể hiệu suất của vật liệu trong các lĩnh vực điện tử, cảm biến và lưu trữ năng lượng.
Nhóm nghiên cứu từ Khoa Hóa học Đại học Nottingham, Đại học Warwick, và Diamond Light Source đã phát triển một kỹ thuật tổng hợp một bước để tạo màng graphene “giống” thông thường nhưng có các khuyết tật được thiết kế sẵn. Phương pháp này sử dụng phân tử Azupyrene, có cấu trúc tự nhiên tương ứng với loại khuyết tật mà nhóm muốn tạo ra. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Chemical Science.
Tiến sĩ David Duncan, Phó Giáo sư tại Đại học Nottingham, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết:
“Nghiên cứu của chúng tôi mở ra một cách chế tạo graphene mới. Graphene là vật liệu siêu mỏng và siêu bền được cấu tạo từ các nguyên tử carbon. Tuy nhiên, graphene hoàn hảo lại ‘quá hoàn hảo’ – nó tương tác yếu với các vật liệu khác và thiếu một số đặc tính điện tử quan trọng mà ngành công nghiệp bán dẫn cần.”
Thiết kế phân tử định hình tính chất của graphene
Thông thường, khuyết tật trong vật liệu bị xem là yếu tố làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã chủ động sử dụng khuyết tật để tăng chức năng. Các khuyết tật này khiến graphene “bám dính” hơn với các vật liệu khác, giúp cải thiện khả năng xúc tác và phát hiện khí trong các cảm biến. Chúng cũng thay đổi đặc tính điện và từ của graphene, mở ra ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Graphene thông thường gồm các nguyên tử carbon sắp xếp thành vòng sáu cạnh. Trong nghiên cứu này, nhóm tạo ra các khuyết tật hình vòng năm và bảy cạnh liền kề nhau. Phân tử Azupyrene vốn đã có cấu trúc bất đối xứng tương tự, nên được dùng để tổng hợp màng graphene có tỷ lệ cao các khuyết tật này. Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ, nhóm có thể kiểm soát mật độ khuyết tật trong vật liệu cuối cùng.
Các nhà khoa học tại Viện Graphene, Đại học Manchester đã chứng minh rằng màng graphene khuyết tật có thể được chuyển lên nhiều loại bề mặt khác nhau mà không mất đi cấu trúc khuyết tật, một bước quan trọng để ứng dụng vào các thiết bị thực tế.
Hợp tác quốc tế và công nghệ tiên tiến
Nghiên cứu này tận dụng các công cụ phân tích hiện đại trong một mạng lưới hợp tác giữa Anh, Đức và Thụy Điển. Nhóm sử dụng kính hiển vi và phổ kế tiên tiến tại Diamond Light Source (Anh) và MAX IV (Thụy Điển), cùng với siêu máy tính quốc gia ARCHER2 của Anh để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử và đặc tính điện hóa của graphene khuyết tật.
Giáo sư Reinhard Maurer (Đại học Warwick) cho biết:
“Bằng cách lựa chọn cẩn thận phân tử khởi đầu và điều kiện tăng trưởng, chúng tôi đã chứng minh có thể tạo graphene có khuyết tật một cách có kiểm soát. Chúng tôi đã mô tả đặc điểm của các khuyết tật này thông qua hình ảnh nguyên tử, phổ kế và mô phỏng tính toán.”
Tiến sĩ Tien-Lin Lee (Diamond Light Source) nói thêm:
“Nghiên cứu này là minh chứng cho sức mạnh của hợp tác quốc tế và sự kết hợp đa ngành. Bằng việc tích hợp kỹ thuật hiển vi, phổ kế và mô hình tính toán giữa các viện nghiên cứu ở Anh, Đức và Thụy Điển, chúng tôi đã làm sáng tỏ cơ chế hình thành khuyết tật ở cấp độ nguyên tử trong graphene – điều mà không một nhóm đơn lẻ nào có thể thực hiện.”
Tham khảo:
Bài báo “One-step synthesis of graphene containing topological defects” của Benedikt P. Klein và cộng sự, công bố ngày 9 tháng 9 năm 2025 trên Chemical Science.
DOI: 10.1039/D5SC03699B.
