Graphen

Graphen hay graphene là một tấm vật liệu mỏng chỉ một lớp nguyên tử, được tạo thành từ các nguyên tử carbon kết hợp theo cấu trúc hình tổ ong với liên kết sp. Tên gọi của nó được hình thành từ từ 'graphit' (than chì) và hậu tố '-en' (tiếng Anh '-ene'); chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại, chiều dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm.

Chiều dài liên kết C-C trong graphen là khoảng 0,142 nm. Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số dạng vật liệu bao gồm than chì, ống nano cacbon và fullerene. Nó cũng có thể được xem như là một phần tử của một khối lớn không giới hạn, trong trường hợp của các hydrocarbon đa vòng phẳng, được gọi là graphen. Hai nhà khoa học Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov đã phát hiện ra graphen và đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 2010.

Tính chất

Graphene có khả năng điền vào các lỗ trống electron của nó bằng electron khác gần như tức thì, có nghĩa là nó đã dẫn điện một lượng lớn trong thời gian ngắn.

Về sức khỏe và an toàn

Các tính độc của graphene đã được thảo luận rộng rãi. Một đánh giá về độc tính của graphene đã tóm tắt các hiệu ứng in vitro, in vivo, khả năng kháng khuẩn và nhấn mạnh các cơ chế khác nhau của độc tính graphene. Nano graphene có thể tái tạo các tác động tương tự như amiăng đối với bệnh bụi phổi. Độc tính của graphene phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, độ tinh khiết, các bước xử lý sau khi sản xuất, trạng thái oxy hóa, các nhóm chức năng, trạng thái phân tán, phương pháp tổng hợp, con đường tổng hợp, liều lượng sử dụng và thời gian tiếp xúc.

Các dải nano graphene, các hạt nano graphene và hành tinh nano graphene không độc hại ở nồng độ lên đến 50g/ml. Các hạt nano này không làm thay đổi sự biệt hóa của tế bào gốc tủy xương người đối với tế bào xương hoặc mỡ cho thấy rằng ở liều thấp, nano graphene là an toàn cho các ứng dụng y tế. Mảnh graphene vài lớp có thể xuyên thủng màng tế bào trong dung dịch. Chúng được quan sát để xâm nhập ban đầu qua các điểm nhọn và lõm, cho phép graphene thâm nhập vào tế bào. Các tác động sinh lý của điều này vẫn chưa được xác định rõ ràng, đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu chưa được khai thác đầy đủ.

Định nghĩa

Một giải thích đơn giản về vật chất này được cung cấp trong bài tóm tắt của Geim và Novoselov vào năm 2007:

Graphen là tấm riêng của các nguyên tử carbon được bó thành mạng hai chiều hình tổ ong (2D), là khối cơ bản cho các vật liệu kiểu than chì bất kể số chiều. Nó có thể được cuộn lại thành ống nano carbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D.

Khám phá

Nói một cách đơn giản, graphene là một tấm phẳng than chì tách rời ở mức nguyên tử. Do đó, theo cách hiểu này, graphene đã được biết đến từ khi tinh thể học tia X được phát minh. Các tấm phẳng graphene được phân chia trong các hợp chất than chì được chèn lớp (graphite intercalated). Năm 2004, các nhà vật lý tại Đại học Manchester và Viện Công nghệ Vi điện tử Chernogolovka (Nga) đã phát hiện ra cách để tách mỗi tấm phẳng graphene bằng băng dính văn phòng. Họ cũng đo các tính chất điện tử của các tấm tách rời và nhấn mạnh tính chất tuyệt vời của chúng. Năm 2005, cùng với nhóm nghiên cứu tại Đại học Columbia, nhóm nghiên cứu tại Manchester đã chứng minh rằng các quasiparticle trong graphene là fermion Dirac không có khối lượng. Những phát hiện này đã khiến cho sự quan tâm về graphene bùng nổ.

Sau đó, hàng trăm nhà nghiên cứu đã bắt đầu nghiên cứu trong lĩnh vực này và, tất nhiên, tìm kiếm kỹ càng các bài viết có liên quan được công bố trước đó. Bài tóm tắt đầu tiên về graphene được viết bởi các nhà nghiên cứu tiên phong tại Manchester. Họ đã trích dẫn vài bài báo cho thấy rằng graphene hoặc các tấm than chì mỏng rất được nuôi dưỡng bằng quá trình epitaxy trên nhiều chất cơ sở. Họ cũng đã chỉ ra nhiều nghiên cứu trước năm 2004 về các hợp chất than chì được chèn lớp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua. Trong trường hợp thứ hai, các nhà nghiên cứu đôi khi đã nhận ra các tấm than chì mỏng - 'vài tấm graphene' (few-layer graphene) và có thể là các tấm đơn lẻ. Cuối cùng, vào năm 1962, đã có một nghiên cứu chi tiết về vài tấm graphene. Hình ảnh TEM đầu tiên của vài lớp graphene được công bố bởi G. Ruess và F. Vogt vào năm 1948. Tuy nhiên, D.C. Brodie đã biết đến cấu trúc rất phân lớp của than ocide khử nhiệt (thermally reduced graphite oxide) từ năm 1859. Nó đã được V. Kohlschütter và P. Haenni nghiên cứu chi tiết vào năm 1918, họ cũng mô tả các thuộc tính của giấy graphene oxide.

Sản xuất

Chúng ta hiện đã biết rằng các miếng nhỏ của graphene và các hợp chất khác bị vỡ ra khi than chì bị trầy, ví dụ khi vẽ bằng bút chì. Ít người quan tâm đến vấn đề này trước năm 2004–2005. Vì vậy, Andre Geim và đồng nghiệp của ông, những người giới thiệu graphene trong dạng hiện đại, thường được ghi nhận về việc khám phá graphene, tuy nhiên có thể so sánh với việc ghi nhận Christopher Columbus là người 'khám phá' châu Mỹ.

Vào năm 2008, graphene được sản xuất bằng quá trình tách đá, là một trong những nguyên liệu đắt nhất trên thế giới; một mảnh nhỏ có thể đứng lên đầu sợi tóc của con người với giá hơn 1.000 đô la Mỹ (USD) vào tháng 4 năm 2008 (tương đương khoảng 100 triệu USD/cm²). Sau đó, quá trình sản xuất này đã được cải tiến và hiện nay có công ty bán graphene theo tấn. Ngược lại, phần lớn graphene được sản xuất bằng phương pháp epitaxy trên carbide silic là có giá thành phải chăng, vào khoảng 100 USD/cm² vào năm 2009. Ở Hàn Quốc, các nhà nghiên cứu đã sản xuất graphene với chi phí thấp hơn bằng cách chuyển từ nickel; những mảnh có đường kính lên tới 30 inch (760 mm) đã được sản xuất.