Các nhà khoa học tạo ra dây dẫn điện nhỏ bằng 3 nguyên tử, khó có thể nhìn thấy bằng mắt người

Sử dụng kim cương, đồng, lưu huỳnh và bạn có thể tạo ra được loại dây dẫn mỏng nhất mà con người từng chế tạo. Loại dây dẫn có kích thước nanomet này có thể giúp thu nhỏ các mạch điện tử, tăng cường thêm năng lực tính toán của chúng hơn bao giờ hết, từ đó cho ra các thiết bị điện tử nhỏ hơn và cho phép các nhà nghiên cứu khám phá các chất liệu vật lý đặc biệt.

Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mỹ mới đây đã sử dụng những mảnh kim cương có kích thước phân tử, gắn chúng với các nguyên tử lưu huỳnh, và thả vào dung dịch với các nguyên tử đồng. Kết quả đã cho ra một dây dẫn có đường kính chỉ gồm 3 nguyên tử được bọc trong kim cương. Ngoài ra, sợi dây còn được lắp ráp với chính nó, giống như những mảnh Lego được sắp xếp tự nhiên với nhau để tạo thành một cấu trúc. Nhóm nghiên cứu đã công bố những kết quả này vào ngày 26/12 trên tạp chí Nature Materials.

Quá trình tự bổ sung này trước đây chỉ được biết đến trong hoá học hữu cơ. Điển hình là trong quá trình tự tổ hợp của DNA và nhiều phản ứng hoá hữu cơ khác. Đây là lần đầu tiên, quá trình tự tổ hợp này diễn ra sử dụng hoá vô cơ, tạo nên một loại vật liệu được sử dụng làm dây dẫn hoặc thiết bị điện tử.

Đây là một bước tiến quan trọng, việc tạo ra được loại dây dẫn này cho thấy chúng ta chắc chắn có thể tạo ra những cấu trúc có kích thước nguyên tử. Nicholas Melosh, phó giáo sư về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Stanford và SLAC, người dẫn đầu trong nghiên cứu nói rằng đây là một thách thức lớn trong việc tạo ra các điều kiện chính xác để hình thành loại dây dẫn này, theo đó lực hấp dẫn tập hợp các phân tử lại với nhau cân bằng với lực đẩy giữ chúng cách xa nhau. Hơn nữa, bạn còn muốn các phân tử lắp ráp với nhau theo đúng hình dạng. Đây là một dẫn chứng cho thấy bạn hoàn toàn có thể thực hiện được công việc này. Nhóm của Melosh đã không chủ định tạo ra những dây dẫn này, mặc dù đồng và lưu huỳnh tạo ra một chất bán dẫn khá tốt. Điều này cho thấy bạn có thể tạo ra dây dẫn hoàn hảo. Nó cũng chứng minh quá trình tạo ra dây dẫn là có kiểm soát.

Kết quả tạo ra các dây dẫn có kích cỡ nano, dài khoảng vài milimet. Điều này nghe có vẻ không nhiều nhưng trong khoa học vật liệu thì nó khá lý tưởng – một milimet là đã gấp hơn 7 đến 8 lần yêu cầu về độ lớn so với một phân tử. “Chúng tôi nghĩ rằng có thể tạo ra cả một tờ giấy từ loại vật liệu này”, Melosh nói.

Khi đã tạo ra được loại vật liệu nano, sẽ là một thách thức tiếp theo khi nói đến việc thao tác với các vật liệu có kích cỡ nguyên tử này.

Mô tả quá trình hình thành loại dây dẫn nano

Để chế tạo loại dây dẫn nano này, nhóm đã sử dụng một loại hoá chất khác thường: dầu thô từ Arkansas. Dầu thô có nhiều tạp chất khi nó mới được kéo lên từ mặt đất. Trong trường hợp này, dầu thô có những mảnh kim cương có kích thước phân tử trong đó. Đây là loại kim cương nano, đơn vị cấu trúc nhỏ nhất trong mạng tinh thể kim cương, thường được gọi là diamondoid. Ở dạng này, các nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình hộp. Sau đó, các diamondoid được sửa đổi bằng các phản ứng hoá học trong phòng thí nghiệm sao cho một trong các nguyên tử carbon được gắn với một nguyên tử lưu huỳnh. Mỗi liên kết của cấu trúc này sẽ chỉ có thể gắn với một liên kết khác theo một hướng nhất định do hình dạng của nó.

Điều này không phổ biến trong tự nhiên, các phân tử DNA và các thụ thể chỉ liên kết với các phân tử nhất định theo một cách đặc biệt.

Ngoài ra, các diamondoid còn lại hình thành liên kết mạnh mẽ với nhau, tạo thành một vỏ ngoài hoàn hảo cho dây dẫn và hoạt động như một chất keo để liên kết các "tầng" của "toà nhà" lại với nhau.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu thả liên kết lưu huỳnh – diamondoid vào dung dịch chứa đầy các nguyên tử đồng, đồng sẽ liên kết với nguyên tử lưu huỳnh. Nguyên tử lưu huỳnh, bây giờ được liên kết với diamondoid và nguyên tử đồng, sẽ tìm kiếm một cấu trúc khác tương tự và gắn vào. Với việc cấu trúc diamondoid – lưu huỳnh – đồng chỉ xếp lại với nhau theo một hướng, chúng đã tạo thành một dây dẫn điện, một sợi dây gồm các nguyên tử đồng và lưu huỳnh được bọc trong kim cương.

Nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu để xem liệu họ có thể tạo ra số lượng lớn dây dẫn và biến nó thành một mặt phẳng hay không. Họ cũng sẽ khám phá điều gì sẽ xảy ra khi sử dụng các chất liệu khác thay cho đồng và lưu huỳnh như vàng, sắt, kẽm hoặc cadmium.

Tham khảo Qz

Gresso trình làng mẫu điện thoại sang chảnh mới, bàn phím nạm kim cương, khung titan, giá 30.000 USD

Ntt13789