Language
Country/Area
No result found
Carbon vô định hình bí ẩn: Tại sao cấu trúc của nó lại độc đáo đến vậy?
Trong khoa học vật liệu và hóa học hiện đại, cacbon vô định hình, một dạng cacbon đặc biệt, đã thu hút sự chú ý của vô số nhà nghiên cứu. Loại carbon này độc đáo ở chỗ nó không có cấu trúc tinh thể, điều này khiến nó trở thành vật liệu rất linh hoạt và đa năng. Cacbon vô định hình thường được gọi là aC. Khi kết hợp với hydro, nó được gọi là aC:H hoặc cacbon vô định hình hydro hóa (HAC). Cacbon vô định hình tứ diện được gọi là ta-C, còn được gọi là cacbon khoan. Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, nghiên cứu về carbon vô định hình đã tiết lộ nhiều ứng dụng tiềm năng, từ thiết bị điện tử đến y sinh học. Các đặc tính độc đáo của carbon vô định hình khiến nó trở thành vật liệu đáng được khám phá sâu rộng.
Vật liệu cacbon vô định hình có thể ổn định cấu trúc của chúng bằng cách kết hợp với hydro để loại bỏ các liên kết π ở các góc.
Trong khoáng vật học, thuật ngữ carbon vô định hình được sử dụng để mô tả than đá, carbon có nguồn gốc từ cacbua và các dạng carbon không tinh khiết khác. Những chất này không phải là than chì hay kim cương thông thường. Mặc dù về mặt tinh thể học, những vật liệu này không hoàn toàn vô định hình, nhưng chúng thường là vật liệu đa tinh thể có các tính chất của than chì hoặc kim cương. Trong các ứng dụng thương mại, carbon vô định hình thường chứa các nguyên tố khác có thể tạo thành tạp chất tinh thể đáng kể, làm phức tạp thêm các tính chất của carbon vô định hình.
Với sự phát triển của các kỹ thuật lắng đọng và phát triển màng mỏng hiện đại vào nửa sau thế kỷ 20, chẳng hạn như lắng đọng hơi hóa học, lắng đọng phun và lắng đọng hồ quang catốt, vật liệu cacbon vô định hình thực sự đã có thể được sản xuất. Những vật liệu này sở hữu các electron π cục bộ, so với các liên kết π thơm của than chì, tạo thành các liên kết ở độ dài không phù hợp với các dạng thù hình khác của cacbon. Cacbon vô định hình cũng chứa một số lượng tương đối lớn các liên kết lơ lửng, có thể dẫn đến độ lệch hơn 5% về khoảng cách giữa các nguyên tử và cũng có thể quan sát thấy những thay đổi đáng kể về góc liên kết.
Tính chất của màng cacbon vô định hình thay đổi tùy thuộc vào các thông số được sử dụng trong quá trình lắng đọng.
Phương pháp phân tích chính để xác định đặc tính của cacbon vô định hình là đo tỷ lệ liên kết hỗn hợp sp2 và sp3 trong vật liệu. Than chì được cấu tạo hoàn toàn từ các liên kết hỗn hợp sp2, trong khi kim cương được cấu tạo hoàn toàn từ các liên kết hỗn hợp sp3. Khi tỷ lệ liên kết hỗn hợp sp3 trong vật liệu cao, loại cacbon vô định hình này còn được gọi là cacbon vô định hình tứ diện hoặc cacbon dạng kim cương. Điều này là do hình dạng bốn mặt được hình thành bởi các liên kết hỗn hợp sp3 mang lại cho loại vật liệu này nhiều tính chất vật lý tương tự như kim cương. Về mặt thực nghiệm, tỷ lệ sp2 trên sp3 có thể được xác định bằng cách so sánh cường độ tương đối của các đỉnh quang phổ khác nhau, bao gồm quang phổ EELS, XPS và Raman.
Điều thú vị là, mặc dù có thể cho rằng vật liệu cacbon vô định hình có tính chất thay đổi một chiều giữa than chì và kim cương dựa trên tỷ lệ sp2 so với sp3, nhưng điều này thực tế không đúng. Nghiên cứu hiện tại đang cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất và ứng dụng tiềm năng của vật liệu carbon vô định hình. Không thể bỏ qua rằng các thành phần cacbon hydro hóa trong cuộc sống hàng ngày (ví dụ: khói, bồ hóng ống khói, than khai thác như bitum và than antraxit) chứa một lượng lớn hắc ín PAH và do đó hầu như đều gây ung thư.
Ngoài ra, nghiên cứu trong những năm gần đây đã giới thiệu một loại vật liệu carbon vô định hình mới gọi là Q-carbon. Q-carbon, viết tắt của carbon ủ, được cho là có tính sắt từ, dẫn điện, thậm chí cứng hơn kim cương và có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Vào năm 2015, một giáo sư tên là Jagdish Narayan và nhóm nghiên cứu của ông lần đầu tiên công bố phát hiện ra Q-carbon. Họ đã công bố nhiều bài báo về tổng hợp và đặc tính của Q-carbon, nhưng nhiều năm sau đó, các tính chất của chất này vẫn chưa được xác minh bằng các thí nghiệm độc lập.
Theo các nhà nghiên cứu, Q-carbon thể hiện cấu trúc vô định hình ngẫu nhiên với liên kết sp2 và sp3 xen kẽ.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các xung laser nano giây để làm nóng chảy carbon và sau đó làm lạnh nhanh để tạo thành Q-carbon hoặc hỗn hợp Q-carbon và kim cương. Vật liệu này có thể có nhiều dạng khác nhau, từ cấu trúc nano kim cho đến màng kim cương lớn. Họ cũng báo cáo việc tạo ra các vật liệu như nanodiamonds có chỗ trống nitơ và nitrua Q-boron, và tạo ra một kỹ thuật để chuyển đổi carbon thành kim cương ở nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh. Mặc dù vào năm 2018, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin đã sử dụng mô phỏng để đưa ra lời giải thích lý thuyết cho tính siêu dẫn nhiệt độ cao, tính sắt từ và độ cứng của Q-carbon, nhưng những kết quả này vẫn chưa được những người khác xác nhận.
Trong mọi trường hợp, nghiên cứu về carbon vô định hình vẫn tiếp tục được đào sâu và dạng vật liệu carbon đặc biệt này có tiềm năng rất lớn. Sự phát triển trong tương lai sẽ ảnh hưởng đến cuộc sống và công nghệ của chúng ta như thế nào? Có lẽ chỉ có thời gian mới có thể cho chúng ta câu trả lời.
