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.

Tính năng kỳ diệu ’siêu vật liệu’ graphen
Andrei Geim (trái) và Konstantin Novoselov hai nhà khoa học được trao giải Nobel Vật lý 2010. (Ảnh: Daily Mail)

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

Loading...

Tính năng kỳ diệu ’siêu vật liệu’ 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/cm2) 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/cm2.

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.

 

Loading...
TIN CŨ HƠN
Tại sao nước biển lại mặn?

Tại sao nước biển lại mặn?

Tất cả nước trên hành tinh của chúng ta, kể cả nước mưa, đều chứa những hợp chất hóa học mà các nhà khoa học gọi là "muối"

Đăng ngày: 24/02/2019
Vì sao cúng ông Công ông Táo lại chỉ thả cá chép?

Vì sao cúng ông Công ông Táo lại chỉ thả cá chép?

Trong các lễ vật cúng ông Công ông Táo vào ngày 23 tháng Chạp hàng năm, không thể thiếu cá chép. Vậy tại sao lại chỉ thả cá chép mà không phải con vật nào khác?

Đăng ngày: 28/01/2019
Cúng ông Công ông Táo trong bếp hay trên bàn thờ?

Cúng ông Công ông Táo trong bếp hay trên bàn thờ?

Khi cúng ông Táo, nếu gia đình không có ban thờ Táo quân riêng thì phải thắp hương ở ban thờ thần linh hoặc gia tiên chứ không nên cúng lễ ở bếp.

Đăng ngày: 28/01/2019
Tục cúng kẹo cho ông Công ông Táo ở Trung Quốc

Tục cúng kẹo cho ông Công ông Táo ở Trung Quốc

"23 cúng kẹo, 24 dọn nhà, 25 nghiền đậu...", là bài vè vang lên vào mỗi dịp cuối năm ở Trung Quốc, với ý nghĩa "tiểu niên" (năm mới nhỏ) sắp đến, theo Xinhua.

Đăng ngày: 28/01/2019
Ý nghĩa của bánh chưng ngày Tết không phải ai cũng biết

Ý nghĩa của bánh chưng ngày Tết không phải ai cũng biết

Dân tộc nào cũng có món ăn truyền thống. Bánh chưng, bánh dầy là loại bánh quen thuộc của người Việt nhưng không phải ai cũng biết ý nghĩa của bánh chưng.

Đăng ngày: 28/01/2019
Lý giải vui: Vì sao bánh chưng lại ăn với dưa hành?

Lý giải vui: Vì sao bánh chưng lại ăn với dưa hành?

Bạn có biết, chính sự kết hợp tinh tế, hài hòa giữa hương vị chua thanh - béo ngậy đã giúp món bánh chưng trở nên thêm phần hấp dẫn.

Đăng ngày: 28/01/2019
Vì sao tháng Chạp lại được gọi là tháng củ mật?

Vì sao tháng Chạp lại được gọi là tháng củ mật?

Bạn có để ý rằng vào tháng Chạp, chúng ta đều được nghe đi nghe lại câu "tháng củ mật - cẩn thận cửa nẻo". Nhưng "củ mật" là cái củ gì vậy nhỉ?

Đăng ngày: 28/01/2019
Tiêu điểm
Khoa Học News