Tính năng kỳ diệu ’siêu vật liệu’ graphen doc

Tính năng kỳ diệu ’siêu
vật liệu’ graphen

Có lẽ giải Nobel năm nay được trao cho các
nhà khoa học ở 2 đối cực về tuổi tác, một
người thuộc loại già nhất – ông Robert
Edwards, 85 tuổi về một công trình đã ra đời
cách nay khoảng 50 năm và người thuộc loại
trẻ nhất, sinh sau ông ta gần nửa thế kỷ,
ông Kostantin Novoselov - 36 tuổi.
Tuổi của phát minh graphene cũng quá trẻ.
Vòng nguyệt quế đến với các tác giả của phát
minh, Andre Geim và Konstantin Novoselov, quả
là quá sớm, chỉ 6 năm. Trong lúc giải Nobel Y
học đến với Robert Edwards lại quá muộn
màng, chỉ sau khi thành công đã quá vang
dội và mang lại hạnh phúc “có người nối dõi”
cho những 4 triệu gia đình trên toàn thế giới.


Andrei Geim (trái) và Konstantin Novoselov hai nhà khoa
học được trao giải Nobel Vật lý 2010.
Thế nhưng, cũng không phải là quá sớm nếu
xét về mặt nó đã được thử thách một cách đầy
đủ trong thực tế và ngày càng tỏ ra vô cùng hứa
hẹn mà một trong những tác giả của nó đã
ví như thành công phát minh ra polyme trước
đây. Lúc đầu, polyme chưa biết có ứng dụng gì,
nhưng sau đó đã mở ra cả một thời kỳ mới trong

lịch sử loài người (thời đại đồ đá, thời đại đồ
đồng, thời đại đồ sắt và hiện đang ở thời đại vật
liệu tổng hợp).
Giờ đây, phát minh graphen quả là một “ngôi
sao nhạc rock sáng chói” trong thế giới vật liệu
(như cách nói của Tạp chí CEE) hoặc hình ảnh
hơn, người ta đánh giá nó như Christopher
Colombus tìm ra châu Mỹ.
Vậy, Graphen là gì?
Chúng ta đã biết cacbon nguyên chất trong thiên
nhiên tồn tại dưới dạng than chì (graphit) và kim
cương. Song trong phòng thí nghiệm, người ta
đã tổng hợp thành công 2 dạng cacbon nguyên
chất nữa không hề có trong Thiên nhiên là
fulleren (với sự phát minh ra nó. Harold Kroto,
Robert Curl và Richard Smalley đã được trao
giải Nobel hóa học năm 1996) và graphen (bắt
nguồn từ graphite + ene) – “nhân vật” của giải
Nobel Vật lý 2010.
Graphen là những tấm phẳng, đơn lớp 2 chiều,
trên đó cacbon nối với nhau thành một mạng
lưới hình tổ ong (lục giác đều) bằng liên kết sp2,
độ dài 0,142 nanomet. Nếu là một nhà hóa học,
người ta coi graphen là một thành viên đặc biệt
của hydrocacbon thơm đa vòng phẳng.
Graphen được biết đến từ khi người ta phát
minh ra phương pháp Tinh thể học tia X (X-ray
crystallography). Tuy nhiên, chẳng ai nhắc đến
nó, mãi đến năm 2004, mới được "đổi đời" bởi
chính hai nhà khoa học vật lý tài giỏi đến từ đất

nước Nga và làm việc ở Trường ĐH
Manchester, Anh. Họ tách được graphen dưới
dạng một lớp vật liệu mỏng chưa từng có, kích
cỡ một nguyên tử và xác định được tính chất
“kỳ diệu” của nó.
Phát minh của họ lập tức dẫn đến một sự “bùng
nổ” về nghiên cứu vật liệu mới này và có vị trí
trung tâm trong thế giới khoa học. Người ta
thống kê được riêng năm 2007, các nhà khoa
học đa ngành đã công bố tới trên 1.000 công
trình nghiên cứu liên quan đến graphen. Tháng
trước, trong một Hội nghị của Hội Vật lý Mỹ có
tới 374 công trình nghiên cứu mới về graphen.
Tính chất kỳ diệu dẫn đến ứng dụng đặc biệt
của graphen


Những tính năng kỳ diệu đã tạo cho graphen khả năng
ứng dụng đặc biệt. Ảnh: Internet.
Graphen có nhiều tính chất chưa từng gặp ở
các vật liệu khác, và các số đo tính năng của nó
gây chấn động trong giới vật lý, hóa học và đặc
biệt, điện tử học.
Về tính chất vật lý, graphen là chất cực kỳ cứng,
hơn cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên
200 lần, những ở dạng đơn lớp lại dẻo như một
miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại
thành ống. Nó trong suốt cho phép tối thiểu
90% ánh sáng đi qua, điện trở thấp hơn chất
dẫn điện trong suốt tiêu chuẩn là indi-thiếc oxit

nên mở ra một ứng dụng rộng rãi trong việc sản
xuất màn hình cảm ứng chất lượng cao, pin mặt
trời, thiết bị lưu trữ năng lượng, điện thoại di
động và dần dần có thể thay thế silicon trong
lĩnh vực sản xuất chip máy tính tốc độ cao.
Nó dẫn điện tử nhanh hơn bất cứ vật liệu nào
đã biết, giống như chuyển động của một hạt
không trọng lượng của thuyết tương đối
(massless relativistic particle) là photon. Từ đó
nó trở thành vật liệu để thực hiện trong phòng
thí nghiệm nhằm kiểm tra lại những dự đóan
của cơ học lượng tử tương đối tính mà trước
đây người ta cho rằng chỉ có thể quan sát thấy
trong các máy gia tốc hạt và lỗ đen.
Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị vi điện tử,
nhờ tính chất độc đáo của mình, các transistor
graphen đã tạo ra những linh kiện rất đa dạng
và ưu việt, đáp ứng nhu cầu của nhiều thiết bị
mà nếu không phải nhà chuyên môn, người ta
khó hình dung. Những mạch tích hợp (IC) dùng
graphen đã thu nhỏ được kích thước đến tối đa
mà vẫn bảo đảm (và nâng cao) tính năng các
thiết bị vi điện tử - một hướng tiểu hình hóa
(micronisation) thiết bị đang diễn ra.
Ngành Sinh học gần đây cũng “nhòm ngó” đến
graphen. Người ta đang thiết kế những thiết bị
điện tử trên cơ sở những linh kiện chế tạo từ
graphen để phân tích ADN và bộ gen người và
các động thực vật với hy vọng sẽ có năng suất
cao hơn và chính xác hơn. Viện Hàn lâm khoa

học Trung quốc cũng phát hiện những tấm ôxit
graphen có tính sát khuẩn cao và có khả năng
dùng làm dụng cụ đựng thực phẩm có tác dụng
bảo quản lâu dài.
Chính những thành công trong nghiên cứu ứng
dụng, người ta triển khai rất nhanh chóng các
kết quả vào thực tế. Ngành công nghiệp
graphen đã khai thác các phương pháp tổng
hợp vật liệu này trên quy mô công nghiệp (ở
đây, phương pháp hóa học có vai trò quan
trọng) và giá thành sản xuất ngày càng giảm.
Ví dụ, năm 2008 graphen được coi là một trong
những sản phẩm đắt nhất xưa nay, một “miếng”
graphen có diện tích bằng thiết diện một sợi tóc
giá 1.000 đôla (tương đương 100.000.000
đôla/cm
2
) thì nay một số công ty hóa chất đã
sản xuất được trên quy mô công nghiệp hàng
tấn, và giá thành khi phủ trên nền cacbua silic
chỉ còn 100 đôla/cm
2
.
Chỉ riêng sự việc đó đã cho thấy người ta “lao
vào” vật liệu quý giá ấy như thế nào. Các nhà
khoa học cũng tập trung biến tính nó bằng
phương pháp hóa học để thu được những tính
năng cần thiết khác phục vụ cho những mục
đích xác định, đa dạng của đời sống con người.