Kể từ khi phát hiện ra graphene - một loại vật liệu siêu cứng, siêu mỏng, được tạo ra bằng cách sắp xếp các nguyên tử cacbon theo cấu trúc lục giác tuần hoàn và liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị, lĩnh vực nghiên cứu về các vật liệu cực mỏng (còn gọi là vật liệu 2D), đã phát triển một cách mạnh mẽ. GS vật lý vật liệu tại Đại học Linköping Johanna Rosén cho biết, những vật liệu 2D này có diện tích bề mặt lớn so với thể tích hoặc trọng lượng của chúng. Điều này tạo ra một loạt hiện tượng vật lý và các đặc tính đặc biệt, như dẫn điện tốt, độ bền cao hoặc kháng nhiệt, làm cho vật liệu 2D trở nên hấp dẫn cả trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Trong một lớp phim chỉ mỏng 1 mm, có thể có hàng triệu lớp của vật liệu. Giữa các lớp có thể có nhiều phản ứng hóa học và nhờ vào điều này, vật liệu 2D có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng hoặc tạo ra nhiên liệu.

Graphene - loại vật liệu 2D siêu cứng, siêu mỏng.

“Gia đình” lớn nhất của vật liệu 2D được gọi là MXenes. MXenes được tạo ra từ vật liệu cha 3 chiều được gọi là pha MAX. Nó bao gồm 3 nguyên tố khác nhau: M - một kim loại chuyển tiếp; A - một nguyên tố (nhóm A); và X - carbon hoặc nitơ. Bằng cách loại bỏ nguyên tử A bằng axit (bong tróc), 1 vật liệu 2 chiều được tạo ra. Đến nay, MXenes là “gia đình” vật liệu duy nhất được tạo ra theo cách này. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Linköping đã giới thiệu phương pháp lý thuyết để dự đoán các vật liệu 3 chiều khác có thể phù hợp để chuyển đổi thành vật liệu 2D. Họ cũng đã chứng minh được rằng, mô hình lý thuyết này nhất quán với thực tế.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng quy trình 3 bước, trong bước đầu tiên, họ đã phát triển 1 mô hình lý thuyết để dự đoán những vật liệu cha phù hợp (bằng cách tính toán quy mô lớn tại Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định 119 vật liệu 3D tiềm năng); ,ước tiếp theo là thử tạo ra vật liệu trong phòng thí nghiệm. Trong số 119 vật liệu được chọn, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn những vật liệu có sự ổn định hóa học cần thiết và tối ưu nhất.

GS Jie Zhou - thành viên nhóm nghiên cứu cho biết, đầu tiên phải tổng hợp vật liệu 3D, việc lựa chọn được vật liệu phù hợp đã là một thách thức lớn đối với chính nhóm nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu loại bỏ ittrium (Y) từ vật liệu cha YRu₂Si₂, dẫn đến việc hình thành Ru₂Si_xO_y 2 chiều. Để xác nhận sự thành công trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi truyền tải quét Arwen để kiểm tra các vật liệu và cấu trúc của chúng ở cấp độ nguyên tử. Trong Arwen cũng có thể điều tra xem một vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử nào bằng cách sử dụng phổ học. Nhóm nghiên cứu xác nhận rằng, mô hình lý thuyết của họ hoạt động tốt và cấu tạo của vật liệu có các nguyên tử chính xác.

Sau khi bóc tách từng lớp, hình ảnh của vật liệu giống như những trang sách. Kết quả này mang nghĩa to lớn, việc khám phá các vật liệu 2D khác với những đặc điểm khác nhau là trong tầm tay nhà khoa học. Những vật liệu trong suốt này, có thể là nền tảng cho một loạt các ứng dụng công nghệ mới trong tương lai. GS Johanna Rosén chia sẻ, bước tiếp theo là khám phá thêm các vật liệu tiềm năng và tiến hành mở rộng quy mô các thí nghiệm. Một số ứng dụng khả quan trong tương lai gần đó là hấp thụ carbon đi-ô-xít hoặc làm sạch nước, từ đó phát triển một cách bền vững. Ông tin rằng, các ứng dụng trong tương lai là vô tận.