Các nhà khoa học Mỹ đã phát triển phương pháp biến vật liệu MXene dạng tấm 2D thành những cấu trúc cuộn ống siêu nhỏ, có khả năng tạo ra các “đường cao tốc” cho ion di chuyển. Công nghệ này được kỳ vọng cải thiện hiệu suất của thiết bị lưu trữ năng lượng, cảm biến và thiết bị điện tử đeo trên người.
Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm khoa học tại Đại học Drexel và công bố trên tạp chí Advanced Materials. Thay vì giữ MXene ở dạng các tấm phẳng 2D, nhóm nghiên cứu cuộn chúng lại thành cấu trúc một chiều (1D) có dạng ống rỗng, được gọi là MXene nanoscroll.
MXene là một nhóm vật liệu nano 2D có độ dẫn điện cao, khả năng tương tác tốt với nước và độ bền cơ học đáng chú ý. Tuy nhiên, khi các tấm MXene xếp chồng lên nhau, khoảng không giữa các lớp có thể khiến ion và phân tử gặp khó khăn khi di chuyển.
Theo nhóm nghiên cứu, việc cuộn các tấm MXene thành cấu trúc ống giúp hạn chế tình trạng này. Không gian rỗng bên trong tạo thành các kênh liên tục, qua đó cho phép ion di chuyển thuận lợi hơn. Đây là đặc điểm có ý nghĩa đối với các thiết bị lưu trữ năng lượng, trong đó tốc độ vận chuyển ion ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng nạp và xả điện.
Từ tấm vật liệu thành những “ống nano”
Để tạo ra MXene nanoscroll, nhóm nghiên cứu bắt đầu với các tấm MXene nhiều lớp. Bằng cách kiểm soát chặt chẽ môi trường hóa học, nước được sử dụng để làm thay đổi hóa học bề mặt của vật liệu.
Quá trình này tạo ra sự bất đối xứng cấu trúc được gọi là phản ứng Janus, gây ra ứng suất trong mạng tinh thể. Khi ứng suất được giải phóng, các lớp vật liệu bong ra và tự cuộn thành những ống nano.
Điểm đáng chú ý là phương pháp mới không chỉ tạo được cấu trúc nanoscroll ở quy mô phòng thí nghiệm rất nhỏ. Nhóm nghiên cứu cho biết đã sản xuất được tới 10 gram nanoscroll tinh khiết, đồng thời kiểm soát được hình dạng, thành phần hóa học và khả năng định hướng của vật liệu.
Nghiên cứu thử nghiệm trên 6 loại MXene khác nhau, gồm các vật liệu dựa trên titan, niobi, vanadi, tantalum và titanium carbonitride. Kết quả cho thấy cấu trúc 1D có những đặc tính khác biệt đáng kể so với các tấm MXene 2D ban đầu.
Đáng chú ý, một màng làm từ MXene nanoscroll niobi được nhóm nghiên cứu ghi nhận có độ dẫn điện tăng 33 lần so với cấu trúc tương ứng ở dạng tấm. Các màng nanoscroll cũng có mật độ thấp hơn khoảng 3 lần và khả năng vận chuyển khối lượng được cải thiện, qua đó cho thấy tiềm năng ứng dụng trong điện cực siêu tụ điện và cảm biến độ ẩm.
Không chỉ dành cho pin
Theo các nhà nghiên cứu, MXene nanoscroll còn có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Cấu trúc rỗng giúp bề mặt vật liệu dễ tiếp xúc với các phân tử, trong khi độ dẫn điện cao có thể hỗ trợ phát triển cảm biến khí, cảm biến sinh học và các thiết bị điện hóa.
Với thiết bị điện tử đeo, các nanoscroll có thể vừa đóng vai trò gia cường cơ học cho vật liệu polymer, vừa tạo mạng lưới dẫn điện. Nhờ đó, chúng có tiềm năng được tích hợp vào các vật liệu mềm, linh hoạt và có khả năng chịu biến dạng trong quá trình sử dụng.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện có thể điều khiển hướng của các nanoscroll trong dung dịch bằng điện trường. Đặc tính này mở ra khả năng sắp xếp chúng theo hướng mong muốn trong các loại sợi hoặc vật liệu dệt chức năng.
Dù vậy, nghiên cứu hiện mới cho thấy tiềm năng của một phương pháp chế tạo vật liệu mới. Việc MXene nanoscroll có thể được ứng dụng rộng rãi trong pin thương mại hay thay thế các vật liệu hiện nay vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu và thử nghiệm trước khi có thể đưa vào sản xuất quy mô lớn.
Theo IE