Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Boron deposition on Cu(111) surface and FER measurements.
Credit: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv8385

Hơn mười năm trước, Boris Yakobson và các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã dự đoán rằng các nguyên tử boron sẽ bám vào bề mặt đồng, tạo thành borophene – một vật liệu hai chiều kim loại linh hoạt có tiềm năng ứng dụng trong điện tử, năng lượng và xúc tác. Hiện nay, nghiên cứu mới chỉ ra rằng dự đoán này hoàn toàn chính xác, nhưng kết quả không phải như mong đợi của nhiều người. Thay vì hình thành như các hệ thống graphene trên đồng, nơi nguyên tử khuếch tán vào chất nền mà không tạo thành hợp kim riêng, các nguyên tử boron đã tổ chức lại thành cấu trúc boride đồng 2D – một hợp chất mới với cấu trúc nguyên tử đặc trưng. Phát hiện này được công bố trên Science Advances bởi các nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Rice và Đại học Northwestern, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu sâu hơn về các lớp vật liệu 2D chưa được khai thác.

GS. Yakobson cùng GS. Karl F. Hasselmann, chuyên gia nghiên cứu khoa học vật liệu, kỹ thuật nano và hóa học tại Đại học Rice, cho biết:
“Borophene vẫn đang ở giai đoạn khởi đầu, do đó mọi thông tin mới về nó đều có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng hiểu biết của chúng ta về vật liệu, vật lý và điện tử. Phân tích lý thuyết ban đầu đã chỉ ra rằng liên kết giữa đồng và boron rất mạnh. Hơn một thập kỷ sau, chúng tôi nhận thấy dự đoán của mình đúng nhưng kết quả không phải là borophene mà lại là một hợp chất hoàn toàn khác.”

Trước đây, các nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp borophene trên các kim loại như bạc và vàng, tuy nhiên, trường hợp của đồng luôn đầy tranh cãi. Một số thí nghiệm cho thấy boron có thể hình thành borophene với nhiều hình thái khác nhau trên đồng, trong khi đó các thí nghiệm khác lại ghi nhận sự tách pha tạo ra boride hoặc thậm chí kết tinh thành tinh thể khối. Việc giải thích hiện tượng này đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc, hình thái, quang phổ và mô phỏng lý thuyết. Yakobson chia sẻ: “Trong quá trình thực nghiệm, các đồng nghiệp đã quan sát được hình thái nguyên tử và thu thập dữ liệu quang phổ, nhưng gặp khó khăn trong việc giải thích các hiện tượng ấy.”

Những nỗ lực này đã giúp tiết lộ một cấu trúc siêu mạng zigzag cùng các dấu hiệu điện tử đặc trưng, khác biệt so với các pha của borophene. Sự tương thích giữa dữ liệu thực nghiệm và kết quả mô phỏng lý thuyết đã chứng minh bản chất của vật liệu mới được hình thành từ sự tương tác giữa đồng và môi trường chứa boron.

Mặc dù ban đầu các nhà nghiên cứu không đặt mục tiêu tạo ra boride đồng, phát hiện này mang lại những góc nhìn sâu sắc về cách boron tương tác với các nền kim loại khác nhau trong môi trường hai chiều. Nó mở ra một hướng đi mới trong nghiên cứu sự hình thành của các vật liệu boride kim loại mỏng ở cấp độ nguyên tử – một lĩnh vực hứa hẹn cung cấp thông tin quý báu cho các nghiên cứu tương lai, chẳng hạn như trong ứng dụng của boride kim loại trong gốm sứ chịu nhiệt, được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt và các hệ thống siêu thanh.

GS. Mark Hersam, chuyên gia Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Northwestern, nhận định: “Boride đồng 2D có thể chỉ là một trong rất nhiều loại boride kim loại 2D mà chúng ta có thể tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi rất mong muốn khám phá vật liệu 2D mới này, vốn có tiềm năng ứng dụng đa dạng từ lưu trữ năng lượng điện hóa đến công nghệ thông tin lượng tử.”

Phát hiện này được công bố ngay sau khi nhóm nghiên cứu lý thuyết tại Đại học Rice công bố những định hướng ban đầu về boron. Trong một nghiên cứu riêng, được công bố trên ACS Nano, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng borophene có thể hình thành các liên kết ngang với graphene và các vật liệu 2D khác, từ đó cải thiện khả năng tiếp xúc điện so với kim loại vàng. Sự đối chiếu của các kết quả này làm nổi bật triển vọng cũng như thách thức trong nghiên cứu các đặc tính của boron ở quy mô nguyên tử: tính linh hoạt của boron cho phép tạo ra nhiều cấu trúc đa dạng nhưng đồng thời cũng gây khó khăn trong kiểm soát.

GS. Yakobson kết luận: “Những kết quả ban đầu từ hình ảnh thực nghiệm có vẻ mơ hồ, nhưng theo thời gian mọi thứ dần trở nên rõ ràng và chúng tôi đã tìm ra câu trả lời hợp lý: boride kim loại!”

Mặc dù kết quả này ban đầu gây bất ngờ, nhưng giờ đây chúng đã được công nhận rộng rãi, mở đường cho những nghiên cứu khoa học mới nhằm khai thác tiềm năng của các vật liệu 2D trong tương lai.

Nguồn: Andrew Zinin-Provided by Rice University.

More information: Hui Li et al, Atomic-resolution structural and spectroscopic evidence for the synthetic realization of two-dimensional copper boride, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv8385.
Yuefei Huang et al, Electron Transport in Borophene–Graphene Lateral Edge–Edge Junctions, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.4c09843.
Journal information: Science Advances, ACS Nano.