Advanced Materials

Graphene đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học và khoa học vật liệu, cùng nhiều lĩnh vực khác. Sự quan tâm đến các tính chất vật lý đặc biệt, khả năng điều chỉnh hóa học và tiềm năng ứng dụng của graphene đã tạo ra hàng ngàn công trình nghiên cứu và một nhịp độ nghiên cứu đang gia tăng, làm cho việc đánh giá các nghiên cứu này trở nên kịp thời. Bài báo này cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp tổng hợp, tính chất, và ứng dụng của graphene và các vật liệu liên quan (chủ yếu là oxit graphit và các huyền phù keo cùng các vật liệu từ chúng), từ góc nhìn của khoa học vật liệu.

Bài báo này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các hoạt động nghiên cứu hiện tại tập trung vào cấu trúc nano một chiều (1D)—dây, que, dây đai và ống—với kích thước ngang nằm trong khoảng từ 1 đến 100 nm. Chúng tôi dành phần lớn sự chú ý cho các cấu trúc nano 1D được tổng hợp với số lượng tương đối lớn bằng các phương pháp hóa học. Chúng tôi bắt đầu bài báo này bằng một cái nhìn tổng quan về các chiến lược tổng hợp đã được áp dụng để đạt được sự phát triển 1D. Sau đó, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về những phương pháp này trong bốn phần tiếp theo: i) sự phát triển hình học không đồng nhất do cấu trúc tinh thể của vật liệu rắn quy định; ii) sự phát triển hình học không đồng nhất bị hạn chế và được định hình bởi các khuôn khác nhau; iii) sự phát triển hình học không đồng nhất được điều khiển bởi động học thông qua sự bão hòa quá mức hoặc thông qua việc sử dụng một tác nhân bao phủ phù hợp; và iv) những khái niệm mới chưa được chứng minh đầy đủ, nhưng có tiềm năng dài hạn trong việc tạo ra các cấu trúc nano 1D. Tiếp theo là một cuộc thảo luận về các kỹ thuật tạo ra các loại dây nano hợp cấu trúc quan trọng khác nhau. Đến cuối bài báo này, chúng tôi nhấn mạnh một loạt các tính chất độc đáo (ví dụ: nhiệt, cơ học, điện tử, quang điện, quang học, quang phi tuyến và phát xạ trường) liên quan đến các loại cấu trúc nano 1D khác nhau. Chúng tôi cũng sẽ thảo luận ngắn gọn về một số phương pháp có thể hữu ích cho việc lắp ráp các cấu trúc nano 1D thành các thiết bị chức năng dựa trên giao điểm thanh chéo, và các kiến trúc phức tạp như mạng 2D và 3D định kỳ. Chúng tôi kết thúc bài tổng quan này bằng những quan điểm cá nhân về các hướng mà nghiên cứu trong tương lai về lớp vật liệu nano cấu trúc mới này có thể hướng tới.

Điện xơ cung cấp một phương pháp đơn giản và linh hoạt để tạo ra các sợi siêu mỏng từ đa dạng các loại vật liệu bao gồm polymer, composite và gốm. Bài viết này trình bày tổng quan về kỹ thuật này, tập trung vào những tiến bộ đạt được trong ba năm qua. Sau khi mô tả ngắn gọn về các thiết bị cho điện xơ, chúng tôi lựa chọn tập trung vào các cơ chế và mô hình lý thuyết đã được phát triển cho điện xơ, cũng như khả năng kiểm soát đường kính, hình thái, thành phần, cấu trúc thứ cấp và định hướng không gian của các nanofiber được điện xơ. Thêm vào đó, chúng tôi làm nổi bật một số ứng dụng tiềm năng liên quan đến những tính năng nổi bật của nanofiber điện xơ. Cuối cùng, thảo luận của chúng tôi được kết thúc với một số quan điểm cá nhân về các hướng đi trong tương lai mà kỹ thuật tuyệt vời này có thể được theo đuổi.

Gần đây, một gia đình lớn mới của các cacbua và cacbonitride kim loại chuyển tiếp sớm hai chiều (2D), được gọi là MXenes, đã được phát hiện. MXenes được sản xuất bằng cách ăn mòn chọn lọc nguyên tố A từ các pha MAX, là các chất rắn dẫn điện, có lớp, được liên kết bởi các liên kết kim loại, ion và covalent mạnh, chẳng hạn như Ti₂AlC, Ti₃AlC₂, và Ta₄AlC₃. MXenes kết hợp khả năng dẫn điện kim loại của cacbua kim loại chuyển tiếp với tính chất ưa nước của các bề mặt được kết thúc bằng hydroxyl hoặc oxy. Về cơ bản, chúng hoạt động như "đất sét dẫn điện". Bài viết này tổng hợp những tiến bộ - cả thực nghiệm và lý thuyết - về tổng hợp, cấu trúc, tính chất, sự khuếch tán, tách lớp và tiềm năng ứng dụng của chúng. MXenes được kỳ vọng sẽ là ứng viên tốt cho nhiều ứng dụng. Chúng đã cho thấy hiệu suất đầy hứa hẹn trong các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa. Một cái nhìn chi tiết về nghiên cứu trong tương lai về MXenes cũng được trình bày.

Sự phổ biến của các thiết bị điện tử di động và xe điện trên toàn cầu thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như pin và siêu tụ điện, nhằm đạt được mật độ công suất và năng lượng cao hơn, điều này phụ thuộc đáng kể vào sự tiến bộ của các vật liệu mới được sử dụng trong các thiết bị này. Hơn nữa, vật liệu lưu trữ năng lượng đóng vai trò then chốt trong việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, sạch sẽ và đa dạng, và rất quan trọng cho việc khai thác năng lượng tái tạo. Do đó, vật liệu lưu trữ năng lượng bao gồm một phạm vi rộng lớn các vật liệu và đã nhận được sự quan tâm mạnh mẽ từ nghiên cứu, phát triển đến công nghiệp hóa. Trong bài Tổng quan này, trước tiên chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quát về một số hệ thống lưu trữ năng lượng điển hình, bao gồm lưu trữ năng lượng nhiệt, cơ học, điện từ, hydro và lưu trữ năng lượng điện hóa. Sau đó, trạng thái hiện tại của các vật liệu lưu trữ hydro hiệu suất cao cho các ứng dụng trên b bordo và các vật liệu lưu trữ năng lượng điện hóa cho pin lithium-ion và siêu tụ điện sẽ được giới thiệu chi tiết. Những chiến lược để phát triển các vật liệu lưu trữ năng lượng tiên tiến này, bao gồm cấu trúc nano, kết hợp nano-/micro, lai hóa, kiểm soát cấu trúc lỗ, thiết kế cấu hình, sửa đổi bề mặt và tối ưu hóa thành phần, sẽ được thảo luận. Cuối cùng, các xu hướng và triển vọng tương lai trong việc phát triển vật liệu lưu trữ năng lượng tiên tiến sẽ được nêu bật.

Các bề mặt siêu kỵ nước, với góc tiếp xúc với nước (CA) lớn hơn 150°, đã thu hút được nhiều sự quan tâm cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tiễn. Các nghiên cứu gần đây về lá sen và lá gạo cho thấy rằng một bề mặt siêu kỵ nước với cả góc CA lớn và góc trượt (α) nhỏ cần có sự hợp tác của các cấu trúc vi mô và nano. Cách sắp xếp của các cấu trúc vi mô trên bề mặt này có thể ảnh hưởng đến cách mà một giọt nước có xu hướng di chuyển. Những kết quả từ thế giới tự nhiên cung cấp hướng dẫn cho việc chế tạo bề mặt siêu kỵ nước nhân tạo và thiết kế các bề mặt với tính ướt có thể điều khiển. Do đó, các bề mặt siêu kỵ nước từ sợi nano polymer và các màng ống nano carbon (ACNT) có hình dạng khác nhau đã được chế tạo.

BiFeO₃ có lẽ là vật liệu duy nhất vừa có tính từ tính vừa là điện môi mạnh ở nhiệt độ phòng. Do đó, nó đã có ảnh hưởng đến lĩnh vực đa ferro, tương đương với ảnh hưởng của yttrium barium copper oxide (YBCO) lên siêu dẫn, với hàng trăm công trình nghiên cứu được thực hiện trong vài năm qua. Trong bài Tổng quan này, chúng tôi cố gắng tóm tắt cả vật lý cơ bản và những khía cạnh chưa được giải quyết của BiFeO₃ (vẫn đang được khám phá với một số chuyển pha mới được báo cáo trong vài tháng qua) và các ứng dụng thiết bị, tập trung vào spintronics và các thiết bị bộ nhớ có thể được truy cập cả về điện và từ.