Dạng vật liệu thông minh mới thích ứng với thay đổi môi trường

Các vật liệu thông minh, cuộc cách mạng mới nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu, có thể thích ứng các tính năng của mình tùy thuộc vào thay đổi của môi trường xung quanh. Người ta có thể sử dụng chúng cho mọi thứ, từ các màn hình điện thoại di động tự hàn gắn đến các đôi cánh máy bay tự chuyển hình dạng, và phân phối thuốc nhắm đích.

Việc vận chuyển thuốc đến một mục tiêu cụ thể bên trong cơ thể sử dụng các vật liệu thông tin là điều hết sức quan trọng với những căn bệnh như ung thư, vì vật liệu thông minh không chỉ giải phóng thuốc đúng khối lượng cần khi nó dò được tế bào ung thư, để tránh làm hủy hoại tế bào lành.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu của Trung tâm Các vật liệu 2 chiều tiên tiến (CA2DM) tại trường ĐH Quốc gia Singapore (NUS) đã tạo ra một lớp các vật liệu nhân tạo. Nó có một cấu trúc vật liệu hai chiều nhưng lại hành xử như một chất điện ly – và có thể là một cách mới để vận chuyển thuốc trong cơ thể con người.

Giống như các chất điện ly truyền thống, các chất “điện ly 2 chiều” mới tách các nguyên tử của nó trong các chất dung môi khác nhau, và trở nên tích điện. Hơn nữa, việc sắp xếp các vật liệu này có thể được kiểm soát bằng các nhân tố bên trong như nhiệt độ hay độ pH, vốn được coi lad lý tưởng cho vận chuyển thuốc nhắm đích. Các chất điện ly hai chiều đã chứng tỏ có hứa hẹn cho những ứng dụng đòi hỏi một vật liệu có phản hồi với những thay đổi môi trường như những khối cơ nhân tạo và lưu trữ điện năng.

Nhóm nghiên cứu đứng đằng sau các điện ly hai chiều do giáo sư Antonio Castro Neto, giám đốc CA2DM, dẫn dắt. Họ bao gồm các nhà nghiên cứu của CA2DM cũng như Khoa Vật lý, Khoa Khoa học vật liệu và kỹ thuật NUS.

Kết quả nghiên cứu của họ đã được xuất bản trên Advanced Materials.

Thay đổi hành xử của vật liệu hai chiều

Trong khoa học vật liệu, một vật liệu hai chiều là một vật liệu rắn tồn tại tong một đơn lớp các nguyên tử. Nó có thể được cho là một phiến mỏng về mặt nguyên tử có một chiều cao và chiều rộng đặc biệt nhưng không có chiều sâu, do đó, về cơ bản nó là hai chiều. Mặt khác, một chất điện ly là chất tạo ra một thể huyền phù dẫn điện khi hòa tan trong dung môi, chẳng hạn như nước.

Có vô số vật liệu hai chiều tồn tại ngày nay, và nhiều hợp chất cũng có hành xử điện phân. Tuy nhiên, nghiên cứu của các nhà khoa học NUS ho thấy lần đầu tiên vật liệu có cả cấu trúc hai chiều và các đặc tính của các chất điện phân, với một xu hướng cụ thể để chuyển hình dạng ccuar chúng một cách thuận nghịch trong môi trường lỏng. Nhóm NUS đã đạt được thành công bằng việc sử dụng các phân tử hữu cơ khi như các loài có phản ứng để tăng thêm các chức năng khác biệt cho các vật liệu hai chiều như graphene và molybdenum disulfide (MoS₂).

“Bằng các nhóm hóa học khác nhau trở nên mang điện tích âm hoặc dương trong các dung môi, chúng tôi thay đổi các vật liệu hai chiều truyền thống và đem đến một lớp mới các vật liệu thông minh có các đặc tính điện tử kiểm soát bằng cấu trúc hình thái”,giáo sư Castro Neto giải thích.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để tạo ra các chất điện phân hai chiều không chỉ cho một vài ví dụ có thể giữa rất nhiều lựa chọn tiềm năng mà khiến phát hiện này mở ra cả một khu vực nghiên cứu mới hấp dẫn để khám phá.

Từ các phiến mỏng đến cuộn lại

Đột phá lớn trong nghiên cứu này là sự định hướng của chất điện phân hai chiều có thể thay đổi thuận nghịch bằng việc các điều kiện bên ngoài. Hiện tại, lực đẩy tĩnh điện giữa điện tích bề mặt trong vật liệu có thể dẫn đến điều đó trong một phiến mỏng. Bằng việc thay đổi độ pH, nhiệt độ hoặc nồng độ ion của các thể huyền phù, các nhà nghiên cứu NUS đã chứng minh được khả năng của các phiến điện ly hai chiều thay đổi hình dạng và  tạo thành những sắp xếp dạng cuộn. Các kết quả thực nghiệm này được những phân tích lý thuyết lý giải trong đó có cơ chế vật lý bên trong sự hình thành và độ bền của vật liệu dạng cuộn.

Các định hương cuộn này có một đường kính nhỏ mà có thể miêu tả như một vật liệu một chiều, dẫn đến những đặc tính lý hóa khác biệt. Hơn nữa, có thể chuyển đổi qua lại từ vật liệu hai chiều thành một chiều và ngược lại bằng việc thay đổi các điều kiện bên ngoài trở lại những giá trị ban đầu của nó.

“Người ta có thể nghĩ về chất điện phân hai chiều như một sự tương tự chiều cao hơn của điện phân một chiều mà chúng ta vẫn gọi là điện phân đa chiều”, giáo sư Castro Neto, nói. Các ví dụ quan trọng của điện phân đa chiều bao gồm nhiều vật liệu có liên quan về sinh học như DNA và RNA.

“Khi tính a xít, các chất nền cơ bản hay muối được đưa vào, các polymer tích điện cũng trải qua những chuyển đổi thích nghi từ các chuỗi phân tử dạng một chiều thành các vật thể hình cầu không chiều, và ngược lại. Các chất điện phân hai chiều trong tương tự với các chất điện phân đa chiều chứng tỏ những chuyển đổi thuận nghịch từ hai chiều sang một chiều và ngược lại, như một chức năng của các nhân tố bên ngoài. Vì là các vật liệu  thông minh, chúng phù hợp với các công nghệ tiên tiến”, ông cho biết thêm.

Những bước tiếp theo

Việc khám phá ra một lớp vật liệu đã mở ra những vùng mới cho các nhà khoa học vật liệu, mang đến sự hợp tác giữa hai lĩnh vực nghiên cứu đã không có mối liên hệ về truyền thống như vật liệu hai chiều của vật lý và chất điện phân (trong lĩnh vực của điện hóa).

“Có một số lượng ít cách để chức năng hóa graphene và các vật liệu hai chiều để chuyển đổi chúng thành chất điện phân hai chiều. Chúng tôi hi vọng là công việc của mình sẽ truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác từ nhiều lĩnh vực khác nhau tiến đến khám phá xa hơn các đặc tính và những ứng dụng có thể của các chất điện phân hai chiều. Chúng tôi đoán là các chất điện phân hai chiều có nhiều điểm tương tự với sinh học hoặc các hệ tự nhiên, chúng có khả năng tự tập hợp và liên kết ngang một cách đồng thời để hình thành các sợi nano đang hứa hẹn cho những ứng dụng trong các màng lọc, vận chuyển thuốc và dệt thông minh”,giáo sư Castro Neto giải thích.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-05-scientists-intelligent-material.html

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100442