Vật liệu 2D mới hứa hẹn giảm nhiễu âm thanh mạnh mẽ

Các nhà khoa học vừa công bố một vật liệu 2D hoàn toàn mới có tiềm năng giảm nhiễu âm, cải thiện pin và chắn nhiễu điện từ (EMI). Đặc biệt, nghiên cứu này dựa trên cơ sở khoa học vững chắc, chứ không phải những lời quảng cáo mơ hồ kiểu “snake oil”.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Huang Qing dẫn đầu tại Viện Công nghệ & Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba (NIMTE), trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã tìm ra cách mới để “chỉnh sửa” cấu trúc bên trong của MAX phases – một họ hợp chất dạng lớp. Công trình được công bố trên Nature Synthesis , cho thấy đột phá này có thể mở đường cho các vật liệu hai chiều (2D) mới, với ứng dụng trong pin, xúc tác, và đặc biệt là chắn nhiễu điện từ (EMI).

Đây là điểm cực kỳ đáng chú ý với thị trường audio, bởi noise floor thấp luôn là một trong những yếu tố được audiophile săn đón nhất. Thực tế, không ít người đã chi rất nhiều tiền cho dây dẫn và thiết bị, thậm chí cả những sản phẩm bị xem là “snake oil” – đắt đỏ nhưng thiếu cơ sở khoa học rõ ràng.

MAX phases là gì – và vì sao khó “gia công”?

MAX phases là các hợp chất gồm kim loại chuyển tiếp sớm kết hợp với carbon hoặc nitơ, được sắp xếp theo cấu trúc lớp. Chính đặc điểm này khiến chúng trở thành nền tảng lý tưởng để tạo ra các vật liệu 2D chỉ dày vài nguyên tử.

Một nhóm vật liệu 2D nổi tiếng xuất phát từ MAX phases là MXenes, thường được tạo ra bằng cách loại bỏ các nguyên tử kim loại ở vị trí A-site. Tuy nhiên, khi A-site bị chiếm bởi các phi kim như oxy, lưu huỳnh hoặc phosphor, các lớp M–A và M–X trở nên liên kết cộng hóa trị rất mạnh, khiến phương pháp ăn mòn thông thường không còn hiệu quả.

“Chỉnh sửa” lớp nguyên tử bằng nhiệt và phản ứng hóa học

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng các lớp cộng hóa trị này phản ứng khác nhau khi ở trạng thái nóng chảy nhiệt độ cao. Tận dụng sự khác biệt đó, họ đã tái cấu trúc các lớp con, thay thế nguyên tử ở vị trí X bằng các phi kim như bo, selen, lưu huỳnh, phosphor và carbon.

Ngoài ra, họ còn chứng minh rằng các cation Lewis acid có thể làm giảm trạng thái oxy hóa của nguyên tố M, từ đó cho phép gắn thêm nhiều phi kim hơn và biến các MAX phases vốn không có liên kết van der Waals thành vật liệu dạng lớp van der Waals.

Giáo sư Huang giải thích:

Bằng cách kiểm soát tổng enthalpy hình thành của phản ứng, chúng tôi có thể thay thế có chủ đích các nguyên tử trong lớp con. Điều này mở ra con đường thiết kế vật liệu dạng lớp với các tính chất theo ý muốn.

(Enthalpy là khái niệm trong hóa – lý dùng để mô tả tổng nhiệt lượng của một hệ. Trong nghiên cứu này, việc kiểm soát enthalpy giúp phản ứng diễn ra đúng hướng và đúng cấu trúc mong muốn.)

TMXCs – họ vật liệu 2D mới đầy hứa hẹn

Từ phương pháp trên, nhóm đã tạo ra một họ hợp chất mới mang tên TMXCs (early transition metal chalcogenide carbides/nitrides). Đây là những vật liệu kết hợp đặc điểm của MXenes và transition metal dichalcogenides (TMDs).

Trong các lớp đơn (monolayer), cấu trúc nguyên tử của TMXCs khá giống MXenes, nhưng trạng thái oxy hóa của nguyên tử M có thể được điều chỉnh linh hoạt nhờ nguyên tử X được thay thế và các cation xen kẽ. Nhóm cũng chứng minh rằng TMXCs có thể được tách thành các nanosheet dày một nguyên tử, nhờ các “kéo hóa học” cho điện tử – tạo ra những tấm vật liệu siêu mỏng với tính chất độc đáo.

Cả thực nghiệm lẫn mô phỏng đều xác nhận rằng việc thay đổi nguyên tố X trong lớp M–X sẽ làm biến đổi cấu trúc điện tử của TMXCs. Khả năng kiểm soát cấu trúc và tính chất này khiến chúng trở thành ứng viên tiềm năng cho lưu trữ năng lượng điện hóa, pin, xúc tác, và đặc biệt là chắn nhiễu điện từ (EMI) – yếu tố then chốt để giảm nhiễu trong các hệ thống âm thanh cao cấp.