Các nhà hóa học tại Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Hoa Kỳ) đã tìm ra cách chế tạo tinh thể nano từ một nhóm vật liệu quan trọng gọi là nitrua kim loại - nhiệm vụ trước đây được xem là bất khả thi. Bước đột phá, được công bố trên tạp chí Nature, có thể biến các vật liệu vốn được dùng trong đèn LED, thiết bị cấy ghép y tế và chất siêu dẫn thành những cấu phần cho điện tử linh hoạt và thiết bị điện tử in.

Tinh thể nano đã trở thành một phần quan trọng của khoa học vật liệu hiện đại; chấm lượng tử - một loại tinh thể nano - là nền tảng của Giải Nobel Hóa học năm 2023. Tuy nhiên, dù có tiềm năng lớn, đến nay các nhà nghiên cứu mới chỉ chế tạo được tinh thể nano từ một phạm vi vật liệu tương đối hẹp. Ở kích thước nano, vật liệu có thể biểu hiện những tính chất rất khác, chẳng hạn phát ánh sáng rực rỡ hoặc xúc tiến phản ứng hóa học đặc biệt hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp tạo tinh thể nano từ nitrua kim loại - nhóm vật liệu có tầm quan trọng công nghệ nhưng không phù hợp với các phương pháp tổng hợp tinh thể nano thông thường. Trở ngại nằm ở các liên kết hóa học rất bền của nitrua kim loại: chúng giúp vật liệu bền, ổn định nhưng lại cản trở quá trình tổng hợp keo. Thông thường, việc tạo ra vật liệu có liên kết mạnh như vậy đòi hỏi kỹ thuật lắng đọng hơi ở nhiệt độ trên 700°C, trong khi các hợp chất hữu cơ dùng trong tổng hợp keo bắt đầu phân hủy ở khoảng 400°C.

Nhóm đã vượt qua rào cản này bằng cách sử dụng muối nóng chảy và xác định tổ hợp nhiệt độ - áp suất amoniac phù hợp để các liên kết kim loại - nitơ dễ tách ra rồi tái hình thành. Theo nghiên cứu sinh Ruiming Lin, tác giả chính của nghiên cứu, nhóm đã chứng minh khả năng chế tạo gần một chục vật liệu mà các phương pháp truyền thống không thể tổng hợp, trong đó có nitrua titan, nitrua vanadi, nitrua gali, nitrua niobi, nitrua molypden và nitrua tantali.

Do các vật liệu này vừa hữu ích vừa tương đối rẻ, việc chế tạo chúng ở dạng tinh thể nano có thể mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng. Chẳng hạn, nitrua gali được sử dụng trong hầu hết các hệ thống chiếu sáng hiện đại, từ bóng đèn LED đến màn hình máy tính xách tay.

Theo Ruiming Lin, nghiên cứu mở ra những cơ hội mới cho chiếu sáng linh hoạt, điện tử in, thiết bị cấy ghép y tế và nhiều ứng dụng khác. Kết quả cho thấy việc giải quyết một bài toán hóa học tồn tại lâu nay có thể mở khóa cả một nhóm vật liệu quan trọng cho các công nghệ tương lai.

NPA (Theo University of Chicago)