Lá vàng mỏng nhất thế giới chỉ dày bằng một nguyên tử

Để tạo ra vật liệu mới này, nhóm nhà nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật mà những thợ rèn sắt người Nhật Bản cách đây 100 năm đã sử dụng để tách các lớp vàng. Kết quả nghiên cứu được nhóm nhà khoa học công bố trên tạp chí Nature Synthesis,Live Sciencehôm 25/4.

Nhóm các nhà khoa học đặc biệt quan tâm tới vật liệu hai chiều bởi đặc điểm quang học, điện tử và xúc tác khác thường của chúng. Diện tích bề mặt cực cao so với thể tích của những hợp chất này có nghĩa chúng hoạt động rất khác với khối chất rắn giống hệt về mặt hóa học. Nhiều ví dụ về vật liệu 2D được mô tả từ sau khi phát hiện graphene vào năm 2004. Tuy nhiên, phần lớn vật liệu ra đời từ phi kim hoặc hợp chất hỗn hợp. Việc tạo ra tấm kim loại nguyên chất chỉ dày cỡ một phân tử khó khăn hơn nhiều.Shun Kashiwaya, trợ lý giáo sư Khoa vật lý, hóa học và sinh vật học ở Đại học Linkӧping, Thụy Điển, và cộng sự lần đầu tiên tách thành công lớp vàng gọi là goldene. Họ bắt đầu bằng cách tạo ra cấu trúc titan, silicon và carbon nhiều lớp, sau đó phủ lớp vàng ở bề mặt. Sau 12 giờ, hạt vàng phân tán vào vật liệu, thay thế lớp silicon và tạo ra lớp goldene chèn bên trong khối chất rắn. Tuy nhiên, thay vì loại bỏ lớp vàng, nhóm nghiên cứu cẩn thận tách tất cả khối chất rắn xung quanh, để lại lớp vàng nguyên vẹn.

Theo Michael Yeung, nhà hóa học ở Đại học Albany, một số nhóm nghiên cứu trước đây tạo ra lớp nguyên tử vàng chèn bên trong chất rắn như silicon carbide phủ graphene. Nhưng tách lớp vàng ra khỏi cấu trúc xếp lớp phức tạp này rất rắc rối bởi nguyên tử vàng kết tụ thành các hạt nano ngay khi mất đi lực đỡ.

Các nhà nghiên cứu tìm ra kỹ thuật khi Lars Hultman, giáo sư Khoa vật lý, hóa học và sinh học ở Đại học Linkӧping tìm kiếm chất khắc ăn mòn hóa học. Hultman tìm thấy một phương pháp 100 năm mà thợ rèn Nhật Bản sử dụng để lấy cặn carbide ra khỏi thép. Mang tên thuốc thử Murakami hay alkaline kali ferricyanide, dung dịch loại bỏ titan carbide ở xung quanh mà không ảnh hưởng tới lớp goldene.

Để hoàn thiện phương pháp, nhóm nghiên cứu thử nghiệm với những điều kiện phản ứng và mật độ dung dịch khắc khác nhau. Họ nhận thấy thêm axit amin cysteine như một chất hoạt tính bề mặt, hoặc chất hóa học làm giảm độ căng bề mặt của chất lỏng, giúp ổn định lớp tách ra và ngăn nguyên tử vàng đóng cụm và kết hợp thành hạt nano. Lớp goldene tách riêng dài tới 100 nano mét và mỏng gấp hàng trăm lần so với lá vàng thông thường.

Do khả năng phản ứng hóa học của goldene được tăng cường, nó có những ứng dụng quan trọng trong biến đổi carbon dioxide thành nhiên liệu như ethanol và methane, hoặc biến đổi nước thành hydro. Nhóm nghiên cứu đang tìm cách cải thiện phương pháp tổng hợp.

Trong ứng dụng thực tế, vàng siêu mỏng có thể được dùng để tạo ra màn hình gấp, mực điện tử và các hệ thống lọc nước.