Lật ngược quan niệm kéo dài hơn một thế kỷ
Từ lâu, kim cương đã nổi tiếng là một trong những vật liệu tự nhiên cứng nhất trên Trái đất. Nhờ cấu trúc tinh thể cacbon cực kỳ chặt chẽ, kim cương sở hữu độ bền cơ học vô song, khả năng dẫn nhiệt vượt trội và tính bền vững hóa học cao. Trong công nghệ hiện đại, đặc biệt là các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), kim cương thường đóng vai trò làm vật liệu nền chịu lực hoặc tản nhiệt.
Tuy nhiên, trong suốt hơn một thế kỷ qua, cộng đồng khoa học luôn thống nhất một quan niệm: kim cương hoàn toàn không có tính chất áp điện. Hiệu ứng áp điện là hiện tượng một vật liệu sinh ra điện tích khi chịu áp lực cơ học, tính chất đang được ứng dụng rộng rãi trong các loại cảm biến, thiết bị kích hoạt và công nghệ thu gom năng lượng. Do cấu trúc đối xứng hoàn hảo của mạng tinh thể, kim cương được tin là không thể tự tạo ra điện tích dưới bất kỳ hình thức co giãn hay nén ép thông thường nào.
Mọi chuyện chỉ thay đổi khi nhóm nghiên cứu tại Đại học Hồng Kông (HKU), do Giáo sư Zhiqin Chu (Khoa Điện & Kỹ thuật Máy tính) và Giáo sư Yuan Lin (Khoa Kỹ thuật Cơ khí) dẫn dắt, thực hiện một thí nghiệm táo bạo ở quy mô siêu nhỏ.
Bằng cách tạo ra các màng kim cương đa tinh thể siêu mỏng và có độ linh hoạt cao, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một hiện tượng chưa từng có: màng kim cương phát ra điện áp có thể đo đạc rõ ràng mỗi khi bị uốn cong.
Bí mật nằm ở ranh giới giữa các hạt tinh thể
Để kiểm chứng xem kim cương có biến đổi tính chất ở quy mô cực nhỏ hay không, nhóm nghiên cứu HKU đã áp dụng kỹ thuật bóc tách mép tiên tiến vừa được phát triển gần đây. Kỹ thuật này cho phép họ tạo ra những lớp màng kim cương mỏng đến mức có thể uốn cong một cách linh hoạt mà không bị gãy vỡ.
Khi tiến hành thử nghiệm uốn cong liên tục màng kim cương dưới các điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt, nhóm nghiên cứu thu được tín hiệu điện áp ổn định và có thể tái lập hoàn toàn. Kết quả này ngay lập tức loại bỏ khả năng điện áp sinh ra do ma sát bề mặt hay nhiễu từ môi trường xung quanh.
Để giải mã bản chất của hiện tượng này, các nhà khoa học đã kết hợp mô phỏng máy tính chuyên sâu. Kết quả chỉ ra rằng: nguồn gốc của dòng điện không đến từ bản thân lõi tinh thể, mà xuất phát từ các ranh giới hạt bất đối xứng, nơi các vi tinh thể kim cương gặp nhau bên trong màng.
Khi màng kim cương bị uốn cong, áp lực cơ học không phân bổ đều mà tạo ra sự lệch pha cấu trúc tại các ranh giới này. Chính sự mất đối xứng đó khiến các điện tích bị tích tụ dọc theo ranh giới hạt, tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa bề mặt trên và bề mặt dưới của màng kim cương. Nói cách khác, khi thu nhỏ kích thước xuống cấp độ siêu mỏng và biến đổi hình dạng cơ học, kim cương đã kích hoạt được khả năng sinh điện mà trước đây chưa ai từng ghi nhận.
Mở ra triển vọng mới cho y tế và thiết bị tự chủ năng lượng
Phát hiện này không chỉ sửa đổi một định kiến vật lý kéo dài hàng thập kỷ mà còn mở ra những tiềm năng ứng dụng hoàn toàn mới cho kim cương trong các ngành công nghệ cao.
Một trong những hướng đi triển vọng nhất là lĩnh vực y sinh và thiết bị cấy ghép thông minh. Kim cương sở hữu đặc tính tương thích sinh học cao, hoàn toàn không độc hại và bền bỉ trong môi trường hóa chất phức tạp của cơ thể người. Khi có thêm khả năng phát điện từ chuyển động cơ học, màng kim cương siêu mỏng có thể được ứng dụng để sản xuất các cảm biến cấy ghép tự theo dõi biến dạng mô, hoặc tự cung cấp năng lượng cho chính nó thông qua các chuyển động tự nhiên của cơ thể.
Bên cạnh đó, phát hiện này cũng đặt nền móng cho việc phát triển các thiết bị cảm biến siêu nhỏ và hệ thống thu gom năng lượng tự thân. Trong tương lai, các vi cảm biến làm từ kim cương có thể hoạt động bền bỉ trong hàng chục năm ở những môi trường khắc nghiệt mà không cần đến pin phụ thuộc bên ngoài.
Từ một vật liệu vốn chỉ được biết đến với độ cứng và tính trơ, kim cương nay đã chứng minh được tính linh hoạt và khả năng tương tác điện - cơ đầy kinh ngạc ở quy mô nano. Việc phát hiện hiệu ứng sinh điện khi uốn cong màng kim cương siêu mỏng không chỉ lật ngược một tri thức khoa học kinh điển, mà còn hứa hẹn tạo nên bước ngoặt cho các công nghệ cảm biến y sinh và thiết bị tự chủ năng lượng trong tương lai.
Theo Wonderful Engineering
Thùy Anh
