Buzz
Vào năm 2004, hai nhà nghiên cứu tại Đại học Manchester đã thực hiện một thử nghiệm được đánh giá là đem lại nhiều tiềm năng thay đổi thế giới. Chuyện là Andre Geim và Konstantin Novoselov đang “chơi đùa” với than chì (graphite), nói đơn giản thì đây chính là cái ruột của bút chì mà chúng ta vẫn sử dụng hằng ngày đấy. Graphite là được cấu thành từ các tấm carbon tinh khiết xếp chồng lên nhau, và hai vị này đang tự hỏi rằng liệu họ có thể cô lập các tấm carbon này ra thành từng tấm riêng biệt với độ dày chỉ bằng một nguyên tử hay không.
Geim mô tả lại rằng họ đã lấy một cuộn băng dính trong suốt, dính nó lên lớp than chì và “bóc tách” lớp than này ra, tương tự như cái cách mà chúng ta dùng băng keo để lấy xơ vải ra khỏi quần áo vậy. Họ nhận thấy có một vài mảng đã dính vào lớp keo của băng dính. Thế là cả hai người cứ liên tục lặp đi lặp lại như vậy khoảng 10-20 lần và cuối cùng kết quả là họ tách được một lớp graphite cực mỏng. Sau đó Geim và Novoselov tìm cách để làm cho lớp băng dính bị phân rã mà vẫn giữ được lớp graphite cực mỏng đó.
Bằng cách này, cả hai nhà nghiên cứu trên được ghi nhận là những người đã phát hiện ra một loại vật liệu hoàn toàn mới có tên là graphene, và đây được xem là một siêu vật liệu nhờ vào những đặc tính độc đáo của nó. Năm 2010, nhờ vào việc “nghịch bút chì và băng keo” mà cả hai đã được giải Nobel vật lý nhờ khám phá ra graphene. Vật liệu này tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn và có cực nhiều tính ứng dụng vào khoa học và cuộc sống. Câu hỏi là tại sao graphene được xem là một siêu vật liệu? - Rất khoẻ, cứng và cực bền: một sợi dây thép dài 28km có thể sẽ tự bị đứt do trọng lực của nó nếu nó được treo theo phương thẳng đứng, trong khi đó graphene chỉ đứt khi nó dài trên 1000km. Đây được xem là vật liệu bền bỉ nhất mà con người từng biết đến. Theo các thí nghiệm và tính toán thì graphene cứng hơn thép 200 lần và thậm chí còn có thể cứng hơn kim cương trong một số trường hợp, dĩ nhiên là so sánh với cùng quy mô kích thước.
- Nhẹ hơn từ một cho đến vài ngàn lần nếu so với một từ giấy thông thường, và dĩ nhiên một tấm graphene có thể mỏng hơn một từ giấy từ vài trăm ngàn đến cả triệu lần.
- Độ trong suốt đạt 98%
- Dẫn điện tốt hơn bất cứ vật liệu nào khác ở nhiệt độ phòng
- Có thể biến ánh sáng ở bất kì bước sóng nào thành dòng điện
- Thành phần của graphene thực chất là carbon, nguyên tố nhiều thứ 4 trong vũ trụ nên khả năng khai thác gần như là vô tận.
- Graphene cũng có một tính chất thú vị đó là đây được xem là một vật liệu 2D, vì xét cho cùng thì độ dày của nó chỉ bằng kích cỡ của một nguyên tử carbon. Người ta đang nghiên cứu phát triển các graphene 3D và vẫn mang tính chất vốn có của nó.
Như đã học ở chương trình phổ thông, các hình thái và cấu trúc phân tử khác nhau của carbon sẽ đem lại nhiều tính chất lý, hoá khác nhau, và với cấu trúc của graphene thì nó đã giúp cho vật liệu này có nhiều khả năng độc đáo đến thế. Nếu phóng to hình ảnh từ một tấm graphene, chúng ta sẽ thấy các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành các hình lục giác tổ ong nối liền với nhau. Mỗi carbon liên kết với các nguyên tử còn lại bằng một liên kết sp2 hoá trị 3, đây cũng là một điểm mang lại nhiều tính chất hay ho cho graphene.
Giải thích cho việc graphene dẫn điện tốt như thế dù carbon vốn là một phi kim, các nhà khoa học cho rằng phần nhiều là vì mỗi nguyên tử carbon có 4 electron ngoài cùng, tuy nhiên 3 trong số đó đã phải liên kết với các electron của các carbon lân cận nên mỗi nguyên tử carbon trong graphene có một electron tự do ngoài cùng, tương đồng với các kim loại. Các electron này chính là nguyên nhân giúp graphene có thể dẫn điện. Người ta đo đạc được rằng loại vật liệu này gần như không có điện trở, biến nó trở thành vật liệu dẫn điện tốt nhất ở nhiệt độ phòng mà con người từng biết.
Từ việc khám phá ra graphene, các nhà khoa học khác cũng đã nghiên cứu và phát triển loại vật liệu này, trong đó có đại học MIT. Các nhà nghiên cứu tại MIT đã tìm cách để ghép 2 lớp graphene đơn lại thành một lớp kép, hai lớp này sẽ được ghép lệch nhau một góc 1.1 độ và kết quả cho ra chính là graphene siêu dẫn, loại vật liệu hiếm nhất thế giới với khả năng hoàn toàn không có điện trở và nhiệt lượng toả ra khi dẫn điện bằng là bằng 0. Mặc dù thí nghiệm này được thực hiện ở nhiệt độ cực thấp, gần 0 độ K (ở nhiệt độ này thì nhiều chất cũng sẽ mang đặc tính siêu dẫn), tuy nhiên nó đã mở ra nhiều khả năng và ứng dụng khác trong tương lai để con người có thể tìm ra một siêu dẫn ở nhiệt độ thường.
Mặc dù việc tìm ra graphene siêu dẫn ở nhiệt độ thường sẽ còn là một con đường dài trong tương lai, nhưng hiện tại graphene đã và đang tạo thành nhiều cuộc cách mạng trong khoa học và công nghệ. Lấy ví dụ, pin bằng công nghệ graphene có thể đạt công suất mạnh hơn, bền bỉ hơn; các vi xử lý chế tạo bằng graphene sẽ có tốc độ cao hơn dù tiêu thụ ít điện năng hơn,…
Các công ty lớn như Samsung hay Huawei hiện tại đang tích cực nghiên cứu và phát triển pin dựa trên graphene trên các thiết bị điện thoại của họ, và có khả năng những mẫu prototype đầu tiên sẽ được ra mắt vào năm 2022. Ngoài ra loại pin này cũng sẽ ứng dụng được rất nhiều trong ngành công nghiệp xe điện. Tuy nhiên rõ rằng ngành công nghiệp pin vốn nổi tiếng là “bảo thủ” và ít thay đổi, nên việc thay đổi ngày một ngày hai là rất khó xảy ra và buộc chúng ta sẽ phải chờ đợi thêm.
Ngoài pin ra, có vô số ứng dụng mà graphene có thể mang lại, ví dụ như vi xử lý hay cảm biến. Hãy tưởng tượng về một con chip mỏng chỉ bằng một tờ giấy, hay thậm chí là mỏng hơn được cấy vào máu để theo dõi nồng độ insulin theo thời gian thực, hoặc huyết áp của bệnh nhân. Nhờ vào việc cực mỏng và độ kéo căng cao, các loại linh kiện điện tử bằng graphene này cũng có thể được dệt vào vải quần áo hoặc dính lâu dài trên da.
Graphene cũng đóng góp vào việc phát triển Photonics bằng cách tích hợp graphene vào các con chip nhạy sáng, máy ảnh hay các cảm biến ánh sáng. Điều này giúp cải thiện độ nhạy sáng, thậm chí là còn có thể bắt được những sóng ánh sáng mờ nhật trên cả quang phổ khả kiến và bất khả kiến. Ứng dụng này sẽ là một cuộc cách mạng trong việc cải thiện chất lượng máy ảnh, kính thiên văn hay thậm chí là trong các công cụ y tế.
Một ứng dụng đơn giản có thể được nhắc tới đó chính là khả năng lọc nước. Một bộ lọc nước chứa các polymer graphene có thể loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong đường nước. Các nhà nghiên cứu tại Flaghene Flagship cũng đã tạo ra một công nghệ khử mặn dựa trên các diode graphene giúp loại bỏ 60% lượng muối trong nước biển để sử dụng trong nông nghiệp.
Tuy nhiên hiện tại thì giá của graphene rất đắt và người ta cũng sản xuất nó một cách có giới hạn. Tuy nhiên khoa học và công nghệ phát triển mạnh đã và đang làm cho giá thành graphene trở nên rẻ hơn so với khi trước. Mong là trong tương lai sớm, loại vật liệu này sẽ sớm được thương mại hoá diện rộng và xuất hiện nhiều trong các vật dụng xung quanh ta.
