MỸ – Một nghiên cứu mới đã chứng minh rằng polyme tổng hợp (*) sẽ là một giải pháp thay thế cho các khoáng chất giá trị cao, không bền vững được sử dụng trong sản xuất các thiết bị như dây dẫn, bóng bán dẫn và đi-ốt.
(*) Polyme tổng hợp (synthetic polymers): là những đại phân tử được con người tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy thông qua các phản ứng hóa học, khác biệt với các polyme tự nhiên (như protein hay cellulose). Chúng có vị thế quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu hiện đại, tạo nên tất cả các loại nhựa và sợi tổng hợp mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

Những polyme mới được điều chỉnh này sở hữu những tính chất đặc biệt được tạo ra nhờ tính chất chirality (1) được kiểm soát và tính doping (2) hóa học, do các giáo sư Ying Diao và Joaquín Rodríguez López tại đại học Illinois Urbana-Champaign (University of Illinois Urbana-Champaign) phát triển với sự hợp tác của nhà khoa học Jean-Luc Brédas thuộc đại học Arizona (University of Arizona), ông John Reynolds tại viện công nghệ Georgia (Georgia institute of technology) và ông Dali Sun thuộc đại học bang bắc Carolina (North Carolina State University).
(1) Tính chirality (đối xứng tay): là đặc tính hình học của phân tử khi cấu trúc của nó không thể trùng khớp với hình ảnh phản chiếu trong gương của nó (tương tự như sự khác biệt giữa bàn tay trái và bàn tay phải). Trong polyme, tính đối xứng tay này ảnh hưởng đến cách các chuỗi phân tử sắp xếp và tương tác với nhau, từ đó quyết định các đặc tính quang học, điện và cơ học của vật liệu.
(2) Doping hay chemical doping – pha tạp hóa học, là việc thêm một lượng nhỏ hóa chất vào vật liệu bán dẫn thuần khiết để tăng cường hiệu suất. Từ lâu phương pháp doping đã được sử dụng để cải thiện độ dẫn điện trong chất bán dẫn. Tuy nhiên, hoạt động nghiên cứu và phát triển trong việc doping các phân tử bán dẫn dựa trên polyme đã bị tụt lại phía sau.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Tính chirality trong polyme, có thể phát sinh từ sự xoắn liên tục của chuỗi xương sống polyme, là một trong những quy luật của tự nhiên để tạo nên các vật liệu phức tạp và có chức năng đặc biệt. Một lợi thế của tính chirality là nó cho phép vật liệu dẫn điện hiệu quả bằng cách vận chuyển các electron có cùng hướng quay (spin) (1), hay trạng thái lượng tử (2).
(1) Spin: là một tính chất nội tại, cơ bản của các hạt cơ bản (như electron, proton, neutron), tương tự như khối lượng và điện tích. Spin không phải là sự quay vật lý: mặc dù được gọi là “spin” (quay), nó không phải là chuyển động quay thực tế của hạt quanh trục của nó (vì các hạt này được xem là chất điểm). Nó là một dạng của mômen động lượng riêng biệt chỉ tồn tại trong thế giới lượng tử.
(2) Trạng thái lượng tử: là một đối tượng toán học (thường là một hàm sóng) mô tả đầy đủ mọi thông tin có thể có về một hệ lượng tử (ví dụ: một electron trong nguyên tử). Nó xác định tất cả các tính chất của hạt tại một thời điểm, bao gồm: năng lượng (được xác định bằng số lượng tử chính), hình dạng quỹ đạo (được xác định bằng số lượng tử phụ), định hướng không gian của quỹ đạo (được xác định bằng số lượng tử từ), và hướng quay (spin).

Giáo sư Diao chia sẻ: “Chúng tôi rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng tính chất chirality về mặt cấu trúc, cho đến nay vẫn chưa được xem là một thông số liên quan đến việc doping, lại thúc đẩy đáng kể phản ứng hóa học kiểm soát việc doping trong polyme”.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể xoắn polyme bằng nhiều kỹ thuật xử lý dung môi khác nhau, thực hiện theo cách có kiểm soát trong khi đo độ dẫn điện của polyme.

Giáo sư Diao nói tiếp: “Trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi, việc gia tăng tính chirality được phát hiện là có hại cho tính di động của điện tích. Nguyên nhân là do sự xoắn như vậy khiến điện tích bị cục bộ hóa, làm giảm khả năng di chuyển tự do của chúng trong vật liệu, từ đó làm giảm tính di động và độ dẫn điện của tổng thể.”

Tuy nhiên, những phát hiện hiện tại cho thấy một sự đảo ngược đáng ngạc nhiên: sau khi doping polyme, độ chirality tăng lên dẫn đến độ dẫn điện cao hơn.

Nhóm của hai giáo sư Diao và Rodríguez López cho biết họ vẫn chưa chắc chắn về cách thức và lý do tại sao điều này xảy ra. Cơ chế chính được đề xuất rằng, tính chirality ảnh hưởng đến spin electron để tăng cường độ dẫn điện trong quá trình doping, vẫn chỉ là một giả thuyết.

Giáo sư Diao đã nói rằng: “Cần có thêm nhiều nghiên cứu để làm rõ các quá trình chính xác diễn ra khi tính chirality điều chỉnh độ dẫn điện trong polyme doping, và để điều này có thể được ứng dụng vào các công nghệ thương mại, chúng tôi sẽ cần thêm nhiều nghiên cứu và xác nhận. Trọng tâm của chúng tôi trong tương lai sẽ là chứng minh một cách khoa học cơ chế mà chúng tôi đã đưa ra giả thuyết và khám phá các ứng dụng thực tế của hiện tượng này.”

Để xem các tin bài khác về “Polyme”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online