Nghiên cứu tập trung khảo sát đặc tính hấp phụ khí của dãy nano penta-graphene (Penta-Graphene Nanoribbons – PGNRs), một dạng vật liệu nano carbon một chiều (1D) mới nổi với tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực cảm biến khí thế hệ mới. Penta-graphene, với cấu trúc đặc biệt gồm các vòng ngũ giác carbon, sở hữu nhiều đặc tính điện tử và cơ học khác biệt so với graphene truyền thống, mở ra triển vọng phát triển các vật liệu nhạy khí có độ chọn lọc cao, độ nhạy lớn và khả năng tích hợp trong các thiết bị điện tử nano. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung vào cấu trúc biên N:SSPGNR – một dạng PGNR biến tính ở biên – nhằm đánh giá khả năng tương tác với ba loại khí quan trọng gồm CO, CO₂ và NH₃, vốn là các khí liên quan trực tiếp đến giám sát môi trường, an toàn công nghiệp và sức khỏe con người.

Để làm rõ bản chất tương tác giữa vật liệu và các phân tử khí, nghiên cứu sử dụng phương pháp nguyên lý ban đầu (first-principles calculations), thường dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính điện tử ở cấp độ nguyên tử mà không cần dữ liệu thực nghiệm ban đầu. Các thông số được phân tích bao gồm năng lượng hấp phụ, mức độ truyền điện tích giữa phân tử khí và vật liệu, khoảng cách hấp phụ, sai khác mật độ điện tử, mật độ trạng thái tổng (DOS) và mật độ trạng thái riêng phần (PDOS). Đây là những chỉ số quan trọng giúp xác định cường độ liên kết, bản chất hấp phụ (hóa học hay vật lý) cũng như mức độ thay đổi tính chất điện tử của vật liệu sau hấp phụ – yếu tố quyết định hiệu quả cảm biến.

Kết quả cho thấy CO và CO₂ khi hấp phụ trên biên N:SSPGNR biểu hiện đặc tính hấp phụ hóa học (chemisorption), tức là giữa phân tử khí và bề mặt vật liệu hình thành tương tác mạnh với sự tái cấu trúc điện tử đáng kể. Điều này thường đi kèm với mức năng lượng hấp phụ lớn hơn, khoảng cách hấp phụ ngắn hơn và sự chuyển điện tích rõ rệt, cho thấy vật liệu có khả năng nhận diện và phản hồi mạnh với hai loại khí này. Sự hấp phụ hóa học thường mang lại độ nhạy cao cho cảm biến, đặc biệt hữu ích trong phát hiện khí độc hoặc khí nhà kính ở nồng độ thấp. Ngược lại, NH₃ trên biên N:SSPGNR chủ yếu thể hiện hấp phụ vật lý (physisorption), với tương tác yếu hơn, khoảng cách lớn hơn và thay đổi điện tử ít hơn. Điều này cho thấy vật liệu có mức độ nhạy khác biệt tùy theo loại khí, đồng thời gợi ý khả năng chọn lọc khí đặc thù.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế cảm biến khí nano dựa trên PGNRs. Việc N:SSPGNR có khả năng tương tác mạnh với CO và CO₂ cho thấy vật liệu này đặc biệt triển vọng trong phát hiện khí độc carbon monoxide hoặc giám sát carbon dioxide trong môi trường. Đồng thời, sự khác biệt rõ giữa hấp phụ hóa học và vật lý đối với các loại khí khác nhau cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa cấu trúc vật liệu nhằm nâng cao độ chọn lọc và hiệu suất cảm biến. Từ đó, nghiên cứu không chỉ góp phần làm sáng tỏ bản chất hấp phụ khí trên penta-graphene mà còn mở ra hướng phát triển cho các thiết bị cảm biến khí thế hệ mới có độ nhạy cao, tiêu thụ năng lượng thấp và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, môi trường và y sinh.