Khám phá trật tự cấu trúc tinh thể mới có nhiều triển vọng cho các ứng dụng nhiệt điện

Kể từ những năm 1850, các nhà khoa học đã biết được rằng các vật liệu tinh thể sắp xếp theo 14 dạng cấu trúc mạng tinh thể cơ bản. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu tại đại học Vanderbilt và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) giờ đây thông báo rằng họ đã khám phá ra một dạng trật tự tinh thể hoàn toàn mới thể hiện đồng thời các đặc tính tinh thể và đa tinh thể, được các nhà nghiên cứu gọi là “tinh thể đan xen” (interlaced crystals).

Ba hình ảnh phân giải nguyên tử của một hạt nano copper-indium-sulfur.

Trong công trình nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã mô tả về việc khám phá ra sự sắp xếp nguyên tử khác thường này trong khi nghiên cứu các hạt nano cấu tạo từ sunfua đồng-inđi bán dẫn (semiconductor copper-indium sulfide - CIS) để sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời. Trật tự sắp xếp tinh thể đan xen này có các đặc tính làm cho nó rất thích hợp với các ứng dụng nhiệt điện để chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng. Sự khám phá các vật liệu có hiệu suất nhiệt điện nâng cao có thể làm tăng hiệu quả sản xuất phát điện, cải thiện tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô và làm giảm chi phí điều hòa không khí.

Trong vật liệu tinh thể, các nguyên tử sắp xếp theo kết cấu mạng không gian ba chiều có tính tuần hoàn, được gọi là mạng Bravais theo cách khái quát hóa về mặt toán học. Trong không gian ba chiều tồn tại 14 kiểu mạng Bravais khác nhau. Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn, cùng một nguyên tử hay nhóm các nguyên tử có mặt tại từng điểm nút mạng. Kiểu mạng đơn giản và đối xứng nhất đó là mạng "khối đơn giản". Những viên gạch vuông lát nền cho thấy ví dụ mạng không gian hai chiều, các góc của viên gạch tạo nên một mẫu hình mạng lặp tuần hoàn. Một kiểu mạng tinh thể không gian ba chiều là mạng lập phương tâm mặt (Face centered cubic - FCC) là cấu trúc lập phương với các nguyên tử nằm ở các đỉnh hình lập phương và nằm ở tâm của các mặt của hình lập phương.

Một số các khoáng chất có cấu trúc kiểu mạng FCC. Bây giờ chúng ta hãy thu nhỏ một mạng FCC xuống đến kích cỡ nguyên tử và đặt các nguyên tử khác nhau vào từng điểm nút mạng. Khi chúng ta có nhiều hơn một nguyên tử tại mỗi điểm, thì mỗi một dạng nguyên tử tạo thành một mạng con riêng của nó. Ví dụ, nếu chúng ta đặt một cặp nguyên tử cacbon tại từng điểm (tạo thành hai mạng con FCC) thì sẽ có kim cương. Nếu đặt một cặp các nguyên tử natri và clo tại mỗi điểm nút mạng, chúng tạo thành các tiểu mạng natri và clo, và đó là cấu trúc muối.

Trong cấu trúc mạng CIS, bao quanh mỗi một nguyên tử đồng hay inđi là bốn nguyên tử lưu huỳnh láng giềng gần nhất, trong khi mỗi một nguyên tử lưu huỳnh lại được bao quanh bởi hai nguyên tử đồng và inđi gần nhất. CIS thường có cấu trúc khối, nhưng khi Janet Macdonald, phó giáo sư hóa học thuộc trường đại học Vanderbilt và cộng sự của mình chế tạo các tinh thể nano CIS để khám phá các đặc tính của chúng liên quan đến thu năng lượng mặt trời, họ phát hiện thấy rằng các tinh thể nhỏ bé này có một cấu trúc mạng hình lục giác, với các nguyên tử lưu huỳnh hình thành các mạng tinh thể con và các nguyên tử đồng và inđi chia sẻ một mạng con khác. Theo các nhà nghiên cứu cho biết, trong cấu trúc CIS, các nguyên tử lưu huỳnh tạo nên các lớp nén hoàn hảo với các iôn đồng và inđi nằm ở giữa, giống như lớp jam trong chiếc bánh sandwich. Khi chế tạo các hạt nano các nhà nghiên cứu không biết là liệu đồng và inđi sắp xếp theo trật tự hay là chỉ phân bố một cách ngẫu nhiên trong các lớp jam đó. Điều này rất quan trọng, bởi vì các cấu trúc lộn xộn thường có các tính chất dẫn điện kém. Do kích thước nhỏ của các hạt nano, sự nhiễu xạ tia X, một phương pháp thông thường dùng để xác định cấu trúc tinh thể không thể cho biết liệu các nguyên tử đồng và inđi có sắp xếp theo cùng một trật tự hay không.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các tính toán lý thuyết để xác định xem sự phân bố nào: có trật tự hay lộn xộn của các nguyên tử đồng và inđí là trội hơn và đi đến kết luận rằng các cấu trúc trật tự chiếm ưu thế một cấu trúc lộn xộn và tất cả các cấu trúc trật tự có cùng xác suất xảy ra như nhau.

Để khám phá về sự đồng tồn tại của các cấu trúc trật tự khác nhau, các nhà nghiên cứu thuộc ORNL đã thu được những bức ảnh chi tiết ở phạm vi nguyên tử của các hạt nano. Hình ảnh cho thấy rõ ràng rằng, trong khi tất cả các nguyên tử chiếm các điểm nút của một mạng Bravais lục giác hoàn hảo, các nguyên tử đồng và inđi tạo thành một chuỗi các miền khác nhau, trong đó  có các nguyên tử đồng và inđi sắp xếp theo những cách khác biệt. Ranh giới giữa các trật tự sắp xếp khác nhau của đồng-inđi cũng tương tự như biên hạt trong các chất rắn đa tinh thể. Cả các tính toán và hình ảnh thu được đều cho thấy rằng mạng lục giác nền hoàn toàn không bị xáo trộn.

Khi các nhà nghiên cứu phân tích các hình ảnh kỹ lưỡng hơn, họ phát hiện ra là khó có thể nhận ra được các ranh giới giữa các vùng có trật tự sắp xếp khác nhau. Thông thường, trong các mẫu đa tinh thể các đường biên giữa các vùng khác nhau có thể nhận thấy rất rõ ràng, còn trong trường hợp này dường như không có đường ranh giới. Cấu trúc mạng cho thấy hoàn toàn không xáo trộn bởi các vùng trật tự khác nhau giữa đồng và inđi.

Theo các nhà nghiên cứu, cấu trúc tinh thể đan xen có thể chính là điều cần thiết để tối ưu hóa các ứng dụng nhiệt điện trong sản xuất phát điện hay làm lạnh. Các thiết bị nhiệt điện cần một loại vật liệu dẫn điện tuyệt vời nhưng lại có tính dẫn nhiệt kém. Các vật liệu như kim loại nếu có tính dẫn điện tốt thì cũng có xu hướng dẫn nhiệt tốt và ngược lại. Các khuyết tật và ranh giới biên hạt gây cản trở dòng nhiệt cũng làm giảm tính dẫn điện. Loại vật liệu bán dẫn sunfua đồng-inđi có tính dẫn điện cao và tính dẫn nhiệt thấp, thực sự là loại vật liệu cần thiết cho các thiết bị nhiệt điện.

Theo Khoahoc.com.vn