1. Khung hữu cơ-kim loại (MOFs): Những "miếng bọt biển" phân tử
MOFs là một lớp vật liệu tinh thể bao gồm các ion kim loại được kết nối bởi các phân tử hữu cơ (ligands) để tạo thành cấu trúc khung 1D, 2D hoặc 3D bền vững.
Kiến trúc phân tử: * Sự kết hợp giữa các "nút" kim loại và các "cầu nối" hữu cơ tạo ra các lỗ rỗng (pores) có kích thước điều chỉnh được ở cấp độ Angstrom.
Diện tích bề mặt cực đại: 1 gram MOF có thể có diện tích bề mặt lên tới $7000 m^2$.
Giá trị nghiên cứu & phát triển:
Lưu trữ khí: Khả năng nén khí Hydro hoặc Methane ở áp suất thấp nhưng mật độ cao, giải quyết bài toán năng lượng sạch.
Y sinh: Làm "xe tải" vận chuyển thuốc đến đúng tế bào đích và giải phóng chậm, giảm tác dụng phụ.
Môi trường: Thu giữ chọn lọc $CO_2$ từ khí thải công nghiệp với hiệu suất vượt trội so với các dung dịch hấp thụ truyền thống
2. Vật liệu 2D: Từ Graphene đến MXenes – Cuộc cách mạng về độ mỏng
Vật liệu 2D là những vật liệu có độ dày chỉ một nguyên tử. Ở quy mô này, các hiệu ứng lượng tử trở nên chiếm ưu thế, mang lại những tính chất vật lý chưa từng thấy.
Cấu trúc hóa học: * Graphene: Các nguyên tử Carbon liên kết $sp^2$ tạo thành lưới lục giác hoàn hảo.
MXenes: Hợp chất của các kim loại chuyển tiếp sớm (như Ti, V, Cr) với Carbon hoặc Nitơ, có bề mặt được chức năng hóa bởi các nhóm $-OH$ hoặc $-F$.
Đặc tính vượt trội:
Độ bền kéo lớn nhất trong các vật liệu từng được biết đến.
Độ linh động điện tử cực cao, cho phép truyền dữ liệu và năng lượng gần như không có điện trở.
Tiềm năng phát triển: Chế tạo chip bán dẫn siêu nhỏ (vượt qua giới hạn của Silicon), màng lọc nước cấp độ phân tử và pin sạc siêu nhanh.
2. Vật liệu tự chữa lành (Self-healing Materials): Mô phỏng sự sống
Đây là nhóm vật liệu có khả năng nhận diện hư hại và tự khôi phục lại tính toàn vẹn của cấu trúc mà không (hoặc cần rất ít) sự can thiệp từ bên ngoài.
Cơ chế vận hành:
Hệ thống vi nang (Capsule-based): Các tác nhân chữa trị được "đóng gói" trong các nang siêu nhỏ phân tán trong nền vật liệu. Khi có vết nứt, nang vỡ ra, giải phóng chất lỏng để lấp đầy và đóng rắn vết thương.
Mạng lưới nội tại (Intrinsic): Sử dụng các liên kết hóa học thuận nghịch. Dưới tác động của nhiệt hoặc ánh sáng UV, các liên kết này tự đứt gãy và tái hình thành (như phản ứng Diels-Alder), cho phép các chuỗi polymer "tìm thấy nhau" và kết nối lại.
Ứng dụng thực tế: Sơn xe hơi tự xóa vết xước, bê tông tự vá vết nứt (sử dụng vi khuẩn tiết đá vôi), và lớp vỏ bảo vệ cho các thiết bị điện tử linh hoạt.
