Các nhà khoa học tại Đại học Tohoku (Nhật Bản) vừa công bố một phát hiện đáng kinh ngạc: các hạt nano vàng khi được phủ một lớp phân tử hữu cơ đặc biệt có thể thể hiện hành vi giống như chất lỏng. Cụ thể, chúng có khả năng tự sắp xếp lại toàn bộ cấu trúc chỉ dưới tác động của một thay đổi nhiệt độ nhỏ hoặc một lực nén cơ học, theo thông tin từ Interesting Engineering ngày 14/5.
Hành vi bất ngờ của hạt nano vàng
Hạt nano vàng (AuNPs) là các hạt vàng nguyên chất có kích thước siêu nhỏ, thường từ 1 đến 100 nm. Ở cấp độ nano, vàng mang những tính chất đặc biệt khác xa so với vàng khối thông thường. Nghiên cứu mới này cho thấy rằng, khi được phủ các phân tử hữu cơ, các hạt nano vàng có thể thay đổi cách sắp xếp của chúng một cách linh hoạt.
Giáo sư Kiyoshi Kanie từ Đại học Tohoku chia sẻ: "Nghiên cứu này chứng minh rằng những thay đổi cực nhỏ ở cấp độ phân tử có thể tạo ra sự biến đổi cấu trúc kịch tính trong toàn hệ thống hạt nano. Chúng tôi tin rằng phát hiện này mở ra con đường mới để thiết kế các vật liệu thông minh, có khả năng phản ứng linh hoạt với môi trường xung quanh."
Kết quả thực nghiệm ấn tượng
Các thí nghiệm đã mang lại những kết quả cực kỳ ấn tượng. Ở nhiệt độ phòng, các hạt nano tụ lại thành những cụm rời rạc, hình đảo — giống như những hòn đảo nhỏ nằm rải rác trên bề mặt. Khi nhiệt độ được tăng lên khoảng 40°C, chỉ ấm hơn nhiệt độ cơ thể người một chút, các hạt nano bắt đầu chuyển sang dạng chuỗi dài. Sau đó, chúng kết nối với nhau thành một mạng lưới rộng lớn. Điều thú vị là khi lực nén được tác động lên lớp hạt nano, mạng lưới này lại tự thu về thành các cụm đảo như ban đầu.
Cơ chế đằng sau hiện tượng
Để hiểu rõ cơ chế, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp đo đạc tia X tại cơ sở synchrotron DESY ở Hamburg, Đức. Kết quả cho thấy: hai loại phân tử trên bề mặt hạt nano tự phân phối lại khi gặp kích thích bên ngoài. Sự phân phối lại này làm thay đổi hình dạng biểu kiến của hạt nano, và từ đó kéo theo sự tái cấu trúc toàn bộ lớp vật liệu. Như vậy, chỉ một thay đổi nhỏ ở cấp độ phân tử cũng có thể gây ra biến đổi cấu trúc lớn ở cấp độ vĩ mô.
Chìa khóa mở ra kỷ nguyên vật liệu mới
Khi các hạt nano vô cơ tập hợp lại với nhau, các tính chất quang học, điện tử và từ tính của chúng phụ thuộc rất nhiều vào cách chúng sắp xếp. Việc kiểm soát được sự sắp xếp đó theo ý muốn — bằng nhiệt độ hoặc áp lực — đồng nghĩa với việc kiểm soát được tính năng của vật liệu. Nghiên cứu này, được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Mỹ, đặt nền móng cho một thế hệ vật liệu hoàn toàn mới: vật liệu thích ứng.
Vật liệu thích ứng có khả năng tự thay đổi cấu trúc để phản ứng với môi trường, giống như da người biết co lại khi lạnh và giãn ra khi nóng. Từ màn hình dẻo, cảm biến thông minh, đến các thiết bị y sinh có thể tự điều chỉnh bên trong cơ thể — những ứng dụng tiềm năng đang rộng mở hơn bao giờ hết. Theo Trang Ly, phát hiện này hứa hẹn mang đến những bước đột phá trong công nghệ vật liệu trong tương lai gần.
