Vật liệu mới được tạo ra bằng cách tái định hình nhóm vật liệu nano Mxenes nổi tiếng với khả năng dẫn điện cao từ dạng tấm phẳng hai chiều sang cấu trúc ống rỗng siêu mỏng, còn gọi là các cuộn nano MXene. Nhờ cấu trúc mở này, điện trở được giảm xuống, đồng thời khả năng vận chuyển ion được cải thiện rõ rệt so với các tấm MXene xếp chồng truyền thống.

MXenes đã được nghiên cứu hơn một thập kỷ qua và được đánh giá cao nhờ tính dẫn điện và sự linh hoạt về hóa học. Tuy nhiên, việc tạo ra các cấu trúc MXene một chiều chất lượng cao với khả năng ứng dụng thực tiễn vẫn là thách thức lớn. Nhóm nghiên cứu cho biết, chính hình dạng vật liệu đóng vai trò then chốt trong hiệu suất hoạt động.

Theo Giáo sư Yury Gogotsi, chuyên gia vật liệu và là tác giả chính của nghiên cứu, trong khi cấu trúc hai chiều phù hợp với nhiều hệ thống, các vật liệu một chiều lại mang lợi thế vượt trội trong những ứng dụng đòi hỏi khả năng vận chuyển nhanh hoặc gia cường cơ học. Ông ví sự khác biệt này giống như việc so sánh các tấm thép phẳng với ống kim loại hoặc thép thanh có gân.

Bằng cách cuộn các tấm MXene thành dạng ống rỗng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra không gian mở cho phép các ion di chuyển tự do hơn. Cấu trúc này không chỉ nâng cao hiệu suất pin mà còn có thể được sử dụng để gia cố polyme hoặc kim loại mà vẫn duy trì khả năng dẫn điện.

Teng Zhang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Drexel, cho biết các tấm MXene phẳng khi xếp chồng thường tạo ra không gian hạn chế, khiến ion và phân tử khó di chuyển giữa các lớp. Việc chuyển đổi sang cấu trúc cuộn nano một chiều giúp loại bỏ hiện tượng “giam cầm nano”, từ đó cải thiện khả năng vận chuyển vật chất.

Quy trình chế tạo bắt đầu từ các mảnh MXene đa lớp. Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh môi trường hóa học bằng nước để làm thay đổi hóa học bề mặt, tạo ra sự mất cân bằng cấu trúc hay còn gọi là phản ứng Janus. Ứng suất nội sinh phát sinh khiến các lớp vật liệu tự bong ra và cuộn lại thành các ống siêu mỏng.

Phương pháp này được thử nghiệm trên sáu loại MXene khác nhau, bao gồm titan cacbua, niobi cacbua, vanadi cacbua, tantali cacbua và titan cacbonitrua, và đã cho kết quả nhất quán. Nhóm nghiên cứu cho biết họ có thể sản xuất tới 10 gram cuộn nano với hình dạng và thành phần được kiểm soát tốt. Đây là một bước tiến so với các phương pháp trước đây vốn dễ tạo ra cấu trúc không đồng đều hoặc bị hư hại.

Nhờ hình học dạng ống, các cuộn nano MXene để lộ nhiều diện tích bề mặt hoạt tính hơn so với các tấm xếp chồng, giúp ion và phân tử dễ tiếp cận hơn. Đây là yếu tố quan trọng đối với pin và các cảm biến hóa học. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn phát hiện có thể dùng điện trường để điều khiển hướng sắp xếp của các cuộn nano trong dung dịch, mở ra khả năng tích hợp chúng vào sợi, vải dệt hoặc các cấu trúc điện tử linh hoạt.

Đáng chú ý, các nhà khoa học cũng quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn trong những màng linh hoạt làm từ cuộn nano niobi cacbua. Hiện tượng này đang được tiếp tục nghiên cứu để làm rõ các cơ chế vật lý liên quan.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials, được kỳ vọng sẽ mở ra hướng đi mới cho việc phát triển pin thế hệ tiếp theo, cảm biến sinh học và thiết bị điện tử đeo tay hiệu suất cao.