Các nhà vật lí vừa nhận ra rằng, bằng cách loại bỏ từng nguyên tử một khỏi một mặt graphite, họ có thể tạo ra những mô men từ cục bộ trong graphite. Khám phá này có thể dẫn tới những kĩ thuật chế tạo bằng phương pháp nhân tạo những nam châm phi kim loại và tương thích với sinh vật, đồng thời rẻ hơn và nhẹ hơn các nam châm hiện nay.
 |
| ẢNh 3D thu được với kính hiển vi quét chui hầm, cho thấy một chỗ trống nguyên tử cô lập. Các nhà khoa học nhận ra sự có mặt của một cực đại cộng hưởng rõ nét trên đỉnh của từng chỗ trống một, cái có thể đi cùng với một mô men từ. Ảnh: M. M. Ugeda, et al. ©2010 APS. |
Các nhà khoa học Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, và José Gómez-Rodríguez, đều ở trường đại học tự trị Madrid, cùng với Francisco Guinea ở Viện Khoa học Vật liệu Madrid, vừa công bố những kết quả nghiên cứu của họ trong số ra gần đây của tờ Physical Review Letters.
“Một thách thức đang cấp thiết của công nghệ nano là có thể tích hợp graphene vào trong những dụng cụ điện tử thực tế”, Brihuega phát biểu với PhysOrg.com. “Để kết thúc câu chuyện dài tập này, người ta bắt buộc phải hiểu sự có mặt của những khiếm khuyết nguyên tử làm biến đổi những tính chất của nó như thế nào. Trong công trình của chúng tôi, chúng tôi sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm trong môi trường cực sạch để xử lí một câu hỏi cơ bản như vậy cho một hệ giống như graphene, đó là một mặt graphite. Kết quả chính của chúng tôi là chúng tôi có khả năng xác định ở cấp độ nguyên tử sự tác động bên trong mà mỗi nguyên tử carbon bị loại khỏi bề mặt đó để lại cho những tính chất điện và từ của hệ”.
Như các nhà khoa học giải thích, việc tạo ra những chỗ trống nguyên tử trong những chất liệu kiểu graphene bằng cách loại bỏ các nguyên tử có sự tác động mạnh lên những tính chất cơ, điện, và từ của vật liệu. Trong những nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu đã khảo sát những tác động của những chỗ trống nguyên tử lên tính chất của vật liệu như một tổng thể. Trong nghiên cứu hiện nay, các nhà khoa học muốn khảo sát sâu hơn và muốn nhìn thấy cái diễn ra ở từng chỗ trống một.
Trong những thí nghiệm của họ, các nhà vật lí sử dụng graphite nhiệt phân có độ trật tự cao, gồm những tấm graphene chồng lên nhau theo chuỗi AB-AB. Điều này có nghĩa là một tấm graphene (B) hơi bị dịch một chút so với lớp (A) bên trên theo kiểu sao cho phân nửa số nguyên tử carbon của tấm A bên trên có một nguyên tử carbon nằm đúng ngay bên dưới chúng, còn phân nửa kia thì không có.
Trước tiên, các nhà nghiên cứu bóc một số tấm graphene phía trên trong những môi trường cực sạch để đảm bảo rằng tấm graphene trên cùng, tức là mặt graphite, hoàn toàn không có tạp chất. Sau đó, họ tạo ra những chỗ trống bằng cách chiếu xạ ion năng lượng thấp, sử dụng năng lượng vừa đủ để dịch chuyển các nguyên tử bề mặt và tạo ra những khiếm khuyết cỡ chấm nguyên tử.
Sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm nhiệt độ thấp tự chế, các nhà khoa học có thể nhận ra sự có mặt của một cực đại cộng hưởng rõ nét trên đỉnh của từng chỗ trống một. Sự cộng hưởng đạt cực đại xung quanh mức Fermi, cái đã được dự đoán trong nhiều nghiên cứu lí thuyết nhưng trước nay chưa từng được quan sát thấy trong thực nghiệm.
Như các nhà khoa học giải thích, sự cộng hưởng tại một chỗ trống có thể đi cùng với một mô men từ. Những chỗ trống làm cho những spin electron gần nhau sắp thẳng hàng do tương tác electron-electron đẩy nhau ra, dẫn tới sự hình thành những mô men từ. Ngoài ra, chỗ trống ở những vị trí khác nhau gây ra những loại mô men từ khác nhau, chúng có thể tương tác với nhau. Sự tương tác này hướng tới khả năng gây ra một trạng thái sắt từ vĩ mô trong toàn khối vật liệu graphite chỉ đơn giản bằng cách loại bỏ ngẫ nhiên từng nguyên tử carbon một.
“Trong một hệ carbon tinh khiết, người ta sẽ không bao giờ trông đợi tìm thấy từ tính vì xu hướng các electron của nó ghép thành cặp bởi sự hình thành các liên kết cộng hóa trị”, Brihuega giải thích. “Sự kết hợp của các electron thành cặp cản trở sự tồn tại của một mô men từ chung, vì tổng spin của liên kết điện tử sẽ bằng không. Bằng cách loại bỏ một nguyên tử carbon khỏi bề mặt graphite, cái chúng tôi làm chính là phá vỡ những liên kết cộng hóa trị này và kết quả là chúng tôi tạo ra một trạng thái cục bộ với một electron độc thân chưa ghép cặp sẽ sinh ra một mô men từ”.
Nói chung, những kết quả trên không chỉ xác nhận sự chính xác của các mô hình lí thuyết, mà còn có những hàm ý khác. Thí dụ, sự cộng hưởng quan sát thấy có thể tăng cường hoạt tính hóa học của graphene. Dưới góc nhìn ứng dụng, thì những kết quả trên có thể dẫn tới những nam châm cải tiến.
“Việc chế tạo một nam châm từ một hệ carbon tinh khiết là một khả năng trêu ngươi vì đây sẽ là một nam châm phi kim loại và do đó thích hợp cho những ứng dụng trong lĩnh vực y sinh”, Brihuega nói. “Ngoài ra, việc sản xuất sẽ rẻ hơn nhiều so với nam châm thường vì, lấy vài con số thí dụ, một tấn carbon có giá rẻ hơn 1000 lần so với một tấn nickel (16 USD so với 16.000 USD), chất liệu sử dụng phổ biến ở những nam châm thực tế. Trong trường hợp những hệ graphene, người ta cũng sẽ có tính dẻo và tính nhẹ là những ưu điểm nữa; nhưng cho đến nay, sự từ hóa toàn phần đã báo cáo đối với những hệ này là rất thấp so với những nam châm mạnh nhất hiện có.
“Theo quan điểm của tôi”, ông bổ sung thêm, “tương lai sáng sủa nhất là nhìn theo hướng những ứng dụng trong lĩnh vực đang xuất hiện: điện tử học spin, tức là cố gắng khai thác ‘spin’ của electron chưa ghép cặp để chế tạo những dụng cụ gốc spin mới”.
Tham khảo: M. M. Ugeda, I. Brihuega, F. Guinea, and J. M. Gómez-Rodríguez. “Missing Atom as a Source of Carbon Magnetism.” Physical Review Letters 104, 096804 (2010). DOI:10.1103/PhysRevLett.104.096804
Theo PhysOrg.com
