Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo pot

Graphene –mạng nguyên tử
hoànhảo
Cơ sở của Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay là một lớp bong mỏng của carbon
thông thường, lớp này chỉ dày một nguyên tử. Andre Geim và Konstantin Novoselov
đã chứng tỏ rằng carbon ở một dạng phẳng như vậy có các tính chất ngoại hạng
phát sinh từ thế giới lượng tử vốn kì dị nhưng nhiều bí ẩn.
graphene làmộtdạng carbon. Là một chấtliệu hoàn toàn mới – nó không
những mỏng nhất màcònbền nhất nữa.Là một chất dẫn điện, nó dẫn điện tốt như
đồng. Là một chất dẫn nhiệt, nódẫn nhiệttốt hơnmọichất liệu đã biếtkhác.Nó
hầu như hoàntoàn trong suốt, nhưng lại đậm đặc tới mức ngaycả helium, nguyên
tử nhỏ nhất, cũng không thể qua mặt.
Hình 1.graphene. Mạng tinhthể gần như hoànhảo chỉ dày một nguyên tử.
Nó gồm cácnguyên tử carbonliên kết vớinhau thành hình lụcgiác đanlạinhư tấm
lưới.
Bởi vậy, bài báo về graphene công bố trêntạp chí Science, số tháng10/2004,
đã khuấy động rấtnhiều xúc cảm trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chấtkì lạ
của graphenecho phépcác nhàkhoahọc kiểm tra cácnền tảng lí thuyết củavật lí
học. Mặt khác, rất nhiều ứng dụng thựctế giờ đã có thể hiệnthực hóa, bao gồm
việc chế tạo cácchất liệu mới và sản xuấtcác dụng cụ điệntử tân tiến.
Carbon,cơ sở của mọi dạng sống đã biết trêntrái đất, một lần nữakhiến
chúng ta thật bất ngờ.
Bút chì, giấy và băng dính
Không thể nào dễ thu đượcgraphene hơn nữa, chấtliệu thần kì cónguồn gốc
từ graphite thông thường, như graphite tìm thấy ở các thỏi bút chì. Tuynhiên,
những điều đơn giản nhất vàhiểnnhiênnhất thường lẩn tránh cáinhìn của chúng
ta.
Graphenegồm cácnguyên tử carbonliên kết với nhauthànhmột mạng
phẳng – tươngtự như cấu trúc tổ ong, nhưng khác là chỉ dày một nguyên tử thôi.
Một milimét graphitethật ra gồm ba triệu lớp graphene bám chồng lên nhau.Các
lớp được giữ một cách yếu ớt vàvì thế khádễ bóctách chúngra. Aiđã từng viết
bằngbút chì đều có kinh nghiệmnày, vàcó khả năng, khihọ viết, chỉ một lớp

carbon,tức graphene,đã bám lêntrên trang giấy.
Đây làcái xảy ra khiAndreGeim và Konstantin Novoselov sử dụng băng
dính để bóc nhữnglớpbong mỏng rakhỏimộtmiếng graphite lớn bằng một
phươngphápkhôngcó gì mới. Lúcđầu, họ thu đượcnhững lớp bong ragồm nhiều
lớp graphene, nhưng khihọ lặp lại10 đến 12lần bócbăng dính thì lớp bongmỗi
lúc mộtmỏng hơn. Bước tiếp theolà tìmnhững mảnh graphene nhỏ xíu trong số
những lớp graphite dàyhơn và những mảng bong carbon khác. Đây là lúc ý tưởng
sáng tạo thứ haicủa họ xuất hiện: để có thể nhìn thấy kết quả củacôngtrình tỉ mỉ
của họ, các nhà khoa họcở Manchester quyết địnhgắn mấy miếng bong mỏng đó
lên mộtđĩa silicon đã oxy hóa, chất liệu chuẩn trongngànhcông nghiệp bándẫn.
Khi đặt cái đĩa đó vào một chiếckính hiển vithường,ngườita có thể thấy
một cầu vồng màu, tươngtự như cái đượcnhìn thấykhi dầu loang trên mặt nước,
và như vậy xác định được số lớp graphenetrong lớp bong.Bề dày của lớp silicon
dioxidebên dưới,hóara, lại thiết yếu trong việc vén màn bí mật graphene.Dưới
kính hiển vi, graphene lúcnày cóthể trông rõ– một chất liệu kết tinhhai chiều
đích thực tồn tại ở nhiệt độ phòng. Graphene là mạng lưới carbonđều đặn một
cách hoàn hảovới chỉ haichiều kích, rộng vàdài. Đơn vị cơ sở củamẫu tinh thể
này gồm sáu nguyên tử carbonliên kết hóa học với nhau.Graphene,cũng như một
số dạngkhác của carbonmà chúngta biết, gồm hàngtỉ nguyêntử carbon liên kết
với nhautheo khuôn mẫu hình lụcgiác.
Chờ đợi khám phá
Hình 2.Trích graphenetừ graphite. Graphite là một chất liệu cơ bản tìm thấy
trong tự nhiên.Khi táchmỏngra,cáctấm graphite trở thành graphene. Một lớp
graphenecuộn lạithì thànhốngnano carbon,còn khicuộn tròn thành hìnhquả
bóng đá thì nó thành fullerene. Tiềmẩn bên trong graphite, graphene đangchờ đợi
con người khám phá.
Tất nhiên, graphene luôn tồn tại;điều quantrọng là tìmra nó. Tươngtự,
những dạng xuất hiện tự nhiên khác của carbonđã trình hiện trướccác nhàkhoa
học khihọ nhìn chúng ở góc độ thích hợp: trướctiênlà ống nano, sauđó là những
quả bóngcarbon, fullerene(Giải Nobel Hóa học1996).Bị giữ tronggraphite,

graphene đang chờ được giải phóng (hình2).Thật ra,chẳng ainghĩ điều đó là có
thể thực hiện.
Nhiều nhà khoahọc nghĩ người ta không thể nào tách ra nhữngchấtliệu
mỏngnhư vậy: chúngsẽ gấp nếp hoặc cuộn lại ở nhiệt độ phòng, haythậm chí là
hoàn toàn bị tan biến. Bất chấpnhư vậy,mộtsố người vẫn thử cố gắnghếtsức,
mặc dùnhững nỗ lực trướcđó nhằmthu lấy grapheneđã thất bại. Trước đó, người
ta đã có thể thu được những màng mỏng vớibề dàychưa tới 100nguyên tử - thật
vậy, một số màng mỏng đến mứcchúng trở nên trongsuốt.
Một phương pháp thulấy graphene từ graphite là đưa các chất hóa học vào
giữanhững lớp carbonnhằm làm yếu sự liên kết giữa chúngvà sau đó tách các lớp
ra. Một phươngpháp nữa là bócra từnglớp graphite. Người ta cũng thử, thành
công, “tước” silicon từ tinhthể siliconcarbide. Ở nhữngnhiệt độ rất cao, thì cònlại
phía saunhững lớp carbonmỏng. Các kĩ thuật khácnhau nuôi tinh thể mọc ghép,
dùngđể chế tạo các chất bán dẫn đa dạng, đượcxem là có triển vọngnhất để sản
xuấtgraphenedùngtrong côngnghiệp điện tử. Cho đến nay,người ta đã chế tạo
được nhữngcuộn graphenerộng 70cm là lớn nhất.
Hình 3.Tựanhư mộttấm lụa.Những tấm graphenegấplại trên một chất nền
silicon.Ảnhchụp qua kínhhiển vi điện tử quét, phóng đạikhoảng 5000lần.
Trong một thế giới nghịch lí
AndreGeim và KonstantinNovoselo chỉ có thể thu lấy những lớp bong micro
của chất liệu mới.Tuy nhỏ, nhưng giờ họ đã có thể nghiên cứu haiđặc điểm nổi bật
nhất của graphene, cả haiđều ảnh hưởngtới các tínhchất điện củanó.
Thứ nhất là thànhphầngần như hoàn hảocủa graphene. Sự trật tự không có
sai sót là do sự liên kết mạnh của các nguyên tử carbon. Đồngthời, các liên kết đủ
linh hoạt để cho phép mạng lưới căng rađến 20% kích cỡ ban đầu củanó. Mạng
tinh thể còn cho phép các electron dichuyển những khoảng cách xa trong
graphene mà không bị nhiễu. Trongcác chất dẫnđiện thôngthường, các electron
thường bị phản xạ giốngnhư quả cầu trong tròchơi bắn đạn. Sự phảnxạ này làm
giảm hiệu suất của chất dẫn điện.
Đặc điểm độc đáo kia của graphene là các electroncủa nóhànhxử giốngnhư

các hạtánhsáng,các photon không khối lượng, chuyển động không ngừng nghỉ
trong chân khôngvới tốc độ 300 triệu métmỗi giây. Tươngtự như vậy, các
electronchuyển độngtrong graphenehành xử cứ như thể chúngkhông có khối
lượng và lao về phía trướcở tốc độ không đổi một triệu mét mỗi giây. Điều nàymở
ra khả năng nghiên cứu những hiện tượng nhất định dễ dàng hơnở quymô nhỏ
hơn, tứclà khôngcần sử dụng một máy giatốc hạt khổng lồ.
Graphenecòn chophép các nhà khoahọc kiểm tra một số hiệu ứng lượngtử
ma quáihơn từ trước đến nay chỉ thấy trình bày trênlí thuyết. Một hiệu ứngnhư
vậy là một biến thể của sự chui hầm Klein,hiệu ứng đượcxáclập bởi nhà vậtlí
người Thụy Điển Oskar Kleinvào năm 1929.Hiệuứng đường hầm trong vật lí
lượng tử mô tả cách thức các hạt thỉnh thoảng vượtquamột rào chắn bìnhthường
sẽ chặn chúnglại. Rào cảncàng lớnthì cơ hội củacác hạt lượng tử đi quađó càng
thấp.Tuynhiên, hiện tượng này không áp dụng cho các electronchuyển động
trong graphene – trong một số trường hợp,chúngchuyển động cứ như thể rào cản
chẳng hề tồn tại.
Thế giới mơ ước
Nhữngứngdụngkhả dĩ thực tiễn đốivớigrapheneđã thuhútnhiềusự chú ý.
Cho đến nay, đa phần chúng chỉ tồn tại trongbốn khả năng,nhưng nhiều khả năng
đã và đang đượckiểm tra, cũngbởichính Geimvà Novoselov.
Khả năngdẫn điện của grapheneđã thôi thúc rất nhiều hứngthú. Các
transistor grapheneđược tiên đoán về cănbản là nhanhhơn các transistor silicon
ngày nay. Để các chip máy tính trở nênnhanhhơn và hiệu quả năng lượng hơn,
chúng cần phải nhỏ hơn. Silicon đã đạttới ranhgiới kích cỡ tại đó chất liệu không
còn hoạt độngnữa. Giớihạn đó đốivới graphenecòn thấp hơnnữa, cho nên các
linh kiện graphenecó thể đóng gói trênmộtcon chip với mật độ dày hơnngày nay.
Một cột mốc nữađã được vượt qua cách đây vài năm trước khi bộ phận
trọng yếu của nó, transistorgraphene,tỏ rahoạt động nhanh như đối tác silicon
của nó. Có lẽ chúng ta đang ở trên bờ mép của mộtsự thu nhỏ nữa của các linh
kiệnđiện tử sẽ mangtới các máy vitính hiệu quả hơn trong tươnglai. Cho đến nay,
các máy vi tínhgraphene vẫn chỉ là một giấc mơ xavời, mặcdù các màn hình máy

tính trongsuốt kiểu giấy mỏng có thể cuộn lại và mangtrongtúi xáchtay đã xuất
hiện trênthị trườngthương mại cho các khách hàng điện tử của ngày mai.
Trongkhichờ đợi, chúng ta chỉ cóthể nói về một số ứngdụng thực tế hơn
hoặc kém thực tế hơn, tất cả đềuđòihỏi nhữngsáng kiến quantrọng với kết quả
của chúngvẫn chưa chắc chắn.
Vì graphene thực tế là trong suốt(tới 98%)đồngthời có thể dẫn điện, nên
nó sẽ thích hợp cho sảnxuất các loại mànhình cảm ứng trong suốt,các tấm phát
sáng và có lẽ cả nhữngtế bào quangđiện nhỏ hơn nữa. Đồng thời, plastic có thể trở
nên dẫn điện nếu chỉ cầnpha thêm 1% graphene vào trong chúng. Tương tự, chỉ
bởi việc pha thêm một phần nhỏ graphenevào, thì nhiệt trở của plastictăng thêm
30
o
đồngthời làmcho chúngbền hơn về mặt cơ học. Tínhchấtco giãn này có thể
sử dụngtrong cácsiêu chất liệu mới, chúngvừa mỏng, vừa đàn hồi, vừa nhẹ. Trong
tương lai,các vệ tinh, máy bay, và xe hơicó thể sảnxuất từ những hợpchất mới
trên.
Cấu trúchoàn hảo củagraphene còn khiến nó thích hợp cho việc sản xuất
các bộ cảm biến cực nhạycó thể ghinhận những hàm lượng độc nhất nhỏ nhất.
Ngay cả một phân tử bị hấpthụ trên bề mặt graphenecũng có thể bị phát hiện.
Một trò chơi nghiêm túc
Danhsách các ứngdụng có thể có củagraphenethật dài. Sự hăng háinghiên
cứu không ngừng bắt đầu sau khikhám phá ranó có lẽ cuối cùngsẽ đơm hoa kết
trái. Không ai có thể dự báo trước tương laisẽ mang đến những gì, kể cả cácnhà
khoa họcđạt giải Nobelcủa năm nay. Các nhà khoa học đangđi qua một mê cung
cơ hộivà cósự may mắn vàkiến thức để chộp lấy các cơ hội khichúng xuất hiện –
như mọi người chúngta đều biết,may mắn thường chỉ đến với nhữngai có sự
chuẩn bị trướcmàthôi.
Cả hai nhà khoa học đạt giải Nobel năm nayđều nghĩ nghiên cứu thật là vui.
Cho đến nay, họ đã làmviệc chungvới nhau trong một thời giandài. Konstantin
Novoselov,36 tuổi, bắt đầu làmviệc vớiAndre Geim,51 tuổi, khicòn là nghiêncứu

sinh tiến sĩ ở Hà Lan. Sauđó, ông đã theo Geim sang Anhquốc.Cả hai người họ ban
đầu họctập và khởi nghiệp với tư cách nhàvật lí ở Nga. Giờ thì họ đềulà giáo sư
tại trườngĐại học Manchester.
Tính khôi hài là một trongnhững tính cách của họ.Với nhữngviên gạch cấu
trúcmà họ có trongtay,họ nỗ lực tạora cái gì đó mới mẻ, thỉnh thoảng bằng cách
cho phép trí não họ thả nổi vu vơ. Người ta luôn học hỏi đượccái gì đó trong quá
trìnhtrên và, aibiết được,có thể bạn sẽ là người trúngsố. Đó là trườnghợp cách
đây bảynăm trước khihọ chế tạo ra một miếng băng siêu dính lấy cảm hứng từ
khả năng củanhững con tắc kè bám dínhtrên những bề mặt nhẵn nhất. Trước đó,
vào năm 1997, Andre Geim đã làmthí nghiệm nângmột con ếch lênbằng từ
trường, một phươngpháp khéo léo minh họa chocác nguyên lí vật lí. Chú ếch bay
lên đã mangvề choông giải thưởng IgNobelhồi năm 2000, giải thưởng trao cho
nhữngkhám phá “ban đầu khiếnngười tacười, sauđó thì khiếnngười tasuynghĩ”.