Graphene là vật liệu có mạng carbon siêu mạnh, dày chỉ ở mức nguyên tử, có thể tạo thành ống, hình cầu và các hình dạng phức tạp khác. Và bởi nó dẫn điện, các nhà khoa học vật liệu đã đặt ra triển vọng về một kỷ nguyên mới các siêu máy tính dựa trên graphene.

Liên minh châu Âu đã đầu tư 1 tỷ Euro để khởi động ngành công nghiệp này.

Nhưng khi thế giới được xây dựng dựa trên graphene vẫn chưa thành hình, sự quan tâm đến một vật liệu hai chiều khác đã bắt đầu: Borophene, vật liệu có lớp nguyên tử boron tạo thành các cấu trúc tinh thể khác nhau.

Các nhà điện hóa nhận định borophene có thể trở thành vật liệu cho cực dương trong một thế hệ pin lithium-ion mới mạnh hơn. Các nhà hóa học lại ấn tượng bởi khả năng xúc tác của nó. Còn các nhà vật lý đang thử nghiệm khả năng biến đây trở thành một cảm biến phát hiện nhiều loại nguyên tử và phân tử.

Một mảnh Borophene được tạo ra. Ảnh: Wikimediacommons.

Zhi-Qiang Wang tại Đại học Hạ Môn, Trung Quốc và một số đồng nghiệp đã nghiên cứu các đặc tính đáng chú ý của borophene lẫn ứng dụng của nó.

Borophene có một lịch sử không dài. Các nhà vật lý lần đầu tiên dự đoán sự tồn tại của nó vào những năm 1990 bằng cách sử dụng mô phỏng máy tính để chỉ ra cách các nguyên tử boron có thể tạo thành một đơn lớp.

Nhưng chất liệu kỳ lạ này mãi đến năm 2015 mới được tổng hợp, sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học. Đây là một quá trình mà luồng khí nóng hợp thành bởi các nguyên tử boron ngưng tụ trên bề mặt nhiệt độ thấp của bạc nguyên chất.

Cấu trúc sắp xếp của các nguyên tử bạc buộc những nguyên tử boron hợp thành một mô hình tương tự nhau, mỗi nguyên tử liên kết tới sáu nguyên tử khác để tạo ra cấu trúc lục giác phẳng.

Tuy nhiên, một tỷ lệ đáng kể xảy ra khi các nguyên tử boron chỉ liên kết với bốn hoặc năm nguyên tử khác và điều này tạo ra các vị trí trống trong cấu trúc. Mô hình tinh thể với các vị trí trống là thứ mang lại cho borophene tính chất độc đáo của nó, tùy thuộc vào cách sắp xếp những vị trí này.

Các dạng mô hình tinh thể của Borophene. Ảnh: Technologyreview.

Kể từ khi tổng hợp được borophene, các nhà hóa học đã cố gắng tìm hiểu đặc tính của nó. Borophene hóa ra mạnh hơn graphene và cũng linh hoạt hơn. Nó là một chất dẫn điện, nhiệt tốt và có thể đạt trạng thái siêu dẫn. Các tính chất này khác nhau tùy thuộc vào định hướng vật liệu và cách sắp xếp vị trí lỗ trống. Nghĩa là về nguyên tắc, chúng ta có thể điều chỉnh được các đặc tính của nó theo ý mình. Đây là điều khiến giới hóa học cực kỳ phấn khích.

Borophene cũng nhẹ và hoạt động hóa học khá mạnh. Điều đó biến nó trở thành một ứng cử viên hàng đầu trong việc lưu trữ các ion kim loại trong pin. “Borophene là một vật liệu cực dương đầy hứa hẹn cho pin Li, Na và Mg do điện dung về mặt lý thuyết cao, độ dẫn điện tuyệt vời và tính chất vận chuyển ion vượt trội”. Wang nói.

Các nguyên tử hydro cũng dễ dàng dính vào cấu trúc một lớp borophene, và tính chất hấp phụ này khi kết hợp với diện tích bề mặt lớn của các lớp nguyên tử, làm cho borophene trở thành vật liệu đầy hứa hẹn để lưu trữ hydro. Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy borophene có thể lưu trữ hydro tới hơn 15% trọng lượng của nó, nhiều hơn đáng kể so với các vật liệu khác.

Chưa hết, borophene có khả năng xúc tác cho sự phân hủy hydro phân tử thành các ion hydro, và nước thành các ion hydro và oxy.

“Tính xúc tác xuất sắc của borophene đã được tìm thấy trong phản ứng tiến hóa hydro, phản ứng khử oxy, phản ứng tiến hóa oxy và phản ứng điện khí CO2”, nhóm nghiên cứu cho biết. Điều đó có thể mở ra một kỷ nguyên mới của chu kỳ năng lượng dựa trên nước.

Tuy nhiên, các nhà hóa học còn nhiều thách thức trước khi đưa borophene vào sử dụng rộng rãi. Đầu tiên, họ vẫn chưa tìm ra cách tạo borophene số lượng lớn. Và khả năng phản ứng mạnh mẽ của vật liệu có nghĩa là nó dễ bị oxy hóa, vì vậy cần được bảo vệ cẩn thận. Cả hai yếu tố làm cho việc chế tạo borophene đắt đỏ và khó xử lý.

Nhưng các nhà hóa học vẫn có niềm tin lớn rằng Borophene có thể trở thành vật liệu kỳ diệu tiếp theo đưa nhân loại vào tương lai năng lượng sạch và các máy tính siêu thông minh.