Các nhà khoa học từng cho rằng loại vật liệu carbon đắt giá này không có tính áp điện. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới cho thấy nhận định đó có thể không hoàn toàn đúng.
Kim cương từ lâu được yêu thích bởi vẻ lấp lánh đặc trưng, nhưng sản phẩm hình thành từ carbon dưới tác động của nhiệt độ, áp suất và thời gian này có giá trị sử dụng vượt xa một món trang sức trên ngón tay. Là khoáng vật tự nhiên cứng nhất thế giới, kim cương thường được sử dụng để chế tạo các dụng cụ cắt, cho phép chúng xuyên qua những vật liệu cứng đầu nhất.
Kim cương cũng có thể được gia cường bằng ống nano carbon để khắc phục điểm yếu về độ giòn. Thậm chí, bụi kim cương còn được nghiên cứu như một phương án có khả năng góp phần làm mát Trái đất. Với kim cương, những lời ca ngợi về vật liệu này rõ ràng không phải không có cơ sở.
Dù kim cương đã được con người trân trọng suốt hàng nghìn năm, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục khám phá những điều mới về mạng tinh thể carbon lập phương đặc biệt này.
Trong hơn một thế kỷ, giới khoa học cho rằng kim cương không có tính áp điện – thuật ngữ dùng để chỉ khả năng của một vật liệu tạo ra điện tích khi chịu tác động cơ học. Nhận định này phần nào cũng có cơ sở: xét cho cùng, kim cương vốn không nổi tiếng về khả năng kéo giãn, nén hoặc biến dạng.
Nhưng nếu điều đó đúng với những khối kim cương thông thường thì sẽ thế nào với một màng kim cương siêu mỏng?
Đó là câu hỏi được một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Hong Kong, Ttrung Quốc đặt ra. Nếu kim cương thực sự có tính áp điện, phát hiện này có thể tạo ra bước ngoặt đối với các hệ thống cơ điện vi mô, vốn sử dụng kim cương để hỗ trợ những vật liệu áp điện khác.
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học tìm cách kiểm chứng giả thuyết trên. Thách thức đầu tiên là phải chế tạo một lớp kim cương đủ mỏng để có thể uốn cong.
Để làm điều đó, nhóm nghiên cứu nuôi các màng kim cương trên nền silicon bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma vi sóng (microwave plasma chemical vapor deposition – CVD). Có thể hình dung công nghệ này như một dạng “máy in 3D” công nghệ cao, sử dụng vi sóng để biến plasma phản ứng thành các lớp màng mỏng, được hình thành từng nguyên tử trên một lớp nền mỏng.
Sau đó, các nhà nghiên cứu cẩn thận tách màng kim cương khỏi nền bằng kỹ thuật bóc tách tại vùng mép kết hợp với băng keo trong suốt. Cuối cùng, họ thu được một màng kim cương rộng khoảng 2 inch, nhưng chỉ dày 1 micromet.
Và đó là lúc họ bắt đầu uốn cong kim cương.
“Để kiểm soát quá trình uốn cong, màng kim cương được gắn lên một nền polyethylene terephthalate (PET) bền và linh hoạt”, các tác giả viết. “Bằng cách cố định một đầu của thiết bị và tác dụng lực lên đầu còn lại, chúng tôi có thể kiểm soát chính xác mức độ biến dạng của màng kim cương và đo các tín hiệu điện tạo ra.”
Sau một loạt thí nghiệm uốn cong cơ học, đồng thời loại trừ những tác động có thể đến từ môi trường hoặc hiệu ứng điện tích do ma sát, nhóm nghiên cứu nhận thấy màng kim cương thực sự tạo ra tín hiệu điện.
Các nhà khoa học phát hiện những ranh giới hạt không đối xứng – nơi phân tách các mạng tinh thể cấu thành màng kim cương – có thể tích tụ sự phân cực điện tích. Quá trình này tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa mặt trên và mặt dưới của màng.
“Hiệu ứng áp điện phụ thuộc vào độ dày của màng, trong đó phản ứng rõ rệt nhất xuất hiện ở những màng có độ dày khoảng 5 micromet”, các tác giả cho biết.
Theo nhóm nghiên cứu, những biến đổi không đối xứng do các ranh giới hạt hình thành trong quá trình tổng hợp kim cương chính là nguyên nhân giải thích tại sao hiệu ứng áp điện lại phụ thuộc vào độ dày màng.
Một màng kim cương có khả năng tạo ra điện có thể mở ra nhiều ứng dụng đáng chú ý. Do không độc hại và ổn định về mặt hóa học, vật liệu này có tiềm năng thu hút sự quan tâm của ngành năng lượng và y tế, thậm chí có thể trở thành một thành phần quan trọng trong các thiết bị cấy ghép có khả năng tự cung cấp năng lượng.
Kim cương xứng đáng với sự kinh ngạc mà con người dành cho nó – và giờ đây, có thể còn vì nhiều lý do hơn chúng ta từng nghĩ.
Theo PM
