Graphene, cứng hơn thép 200 lần, nhẹ hơn giấy 1.000 lần

Năm 2004, hai nhà khoa học tại Đại học Manchester đã tiến hành một thí nghiệm đơn giản nhưng có khả năng thay đổi thế giới. Các nhà nghiên cứu đó là Andre Geim và Konstantin Novoselov, đã thử nghiệm với than chì, thứ có trong đầu bút chì của bạn. Graphite được làm từ các tấm carbon nguyên chất siêu mỏng xếp chồng lên nhau. Geim và Novoselov muốn xem liệu họ có thể cô lập một tấm than chì, một lớp carbon mỏng không thể tưởng tượng nổi chỉ dày một nguyên tử.

Bạn dùng một cuộn băng dình trong suốt rồi dán lên than chì hoặc mica và bóc lớp trên cùng. Có những mảnh than chì bong ra trên băng dính. Sau đó, bạn gấp đôi băng dính lại và dán vào các mảnh ở trên và tách chúng ra một lần nữa. Và bạn lặp lại quy trình này 10 hoặc 20 lần. Mỗi lần, các mảnh này chia thành các mảnh mỏng hơn và mỏng hơn. Cuối cùng, bạn chỉ còn lại các mảnh rất mỏng dính vào miếng băng dính của bạn. Bạn hòa tan băng với một loại dung môi đặc biệt.

Bằng cách cô lập một tấm carbon một lớp, Geim và Novoselov đã khám phá ra một vật liệu hoàn toàn mới gọi là graphene hiện được cho là chất cứng nhất, nhẹ nhất và dẫn điện tốt nhất trên Trái đất.

Năm 2010, Geim và Novoselov cùng nhận giải Nobel vật lý vì phát hiện ra graphene, và các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới bắt đầu tìm cách sử dụng “siêu vật liệu” đáng chú ý này để chế tạo pin mạnh hơn và bền hơn, vi mạch nhanh hơn, mạch điện linh hoạt, cảm biến sinh học có thể cấy ghép và hơn thế nữa. Một thập kỷ sau, graphene vẫn chưa thực hiện được những lời hứa được thổi phồng quá nhiều, nhưng những người trong cuộc tin chắc rằng cuối cùng chúng ta sẽ thấy điện thoại thông minh, ô tô điện và cảm biến sử dụng công nghệ dựa trên graphene trong vài năm tới.

Tại sao Graphene là một siêu vật liệu?​

Với kích thước chỉ dày một nguyên tử, một tấm graphene kiểm tra tất cả các hộp của một siêu vật liệu:

Graphene cứng hơn thép 200 lần tính theo trọng lượng.

• Nó nhẹ hơn giấy 1.000 lần.
• Nó trong suốt 98%.
• Nó dẫn điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào khác đã biết ở nhiệt độ phòng.
• Nó có thể chuyển đổi ánh sáng ở bất kỳ bước sóng nào thành dòng điện.

Và, cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, graphene được tạo ra từ carbon, nguyên tố có nhiều thứ tư trong vũ trụ, vì vậy chúng không có khả năng cạn kiệt.

Graphene có được siêu năng lực này từ chính cấu trúc của nó. Nếu bạn có thể phóng to đủ gần, bạn sẽ thấy một tấm graphene trông giống như một tổ ong với kích thước nguyên tử. Các nguyên tử cacbon riêng lẻ được sắp xếp theo hình lục giác giống như dây gà. Mỗi nguyên tử carbon trong một tấm graphene được liên kết cộng hóa trị với ba vật phẩm carbon khác, điều này mang lại cho vật liệu sức mạnh đáng kinh ngạc.

Tại sao graphene dẫn điện tốt như vậy? Một lần nữa, vì cách các nguyên tử cacbon đó được liên kết với nhau. Mỗi nguyên tử cacbon có bốn điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nó, nhưng chỉ ba trong số các điện tử đó được chia sẻ với ba nguyên tử cacbon lân cận của nó. Điện tử còn lại được gọi là điện tử pi và tự do di chuyển trong không gian ba chiều, điều này cho phép nó truyền các điện tích qua tấm graphene mà hầu như không có điện trở. Trên thực tế, graphene là chất dẫn điện nhanh nhất ở nhiệt độ phòng của bất kỳ chất nào đã biết.

Góc ma thuật​

Một khám phá gần đây có thể thêm một siêu năng lực khác vào danh sách khoe khoang của graphene. Khi vô tình đặt hai lớp graphene đơn nguyên tử xếp chồng lên nhau đã phát hiện ra một tính chất mới và vô cùng đặc biệt của graphene. Khi các lớp được xoay hơi lệch với nhau – độ dịch chuyển chính xác 1,1 độ – graphene trở thành chất siêu dẫn . Chất siêu dẫn là loại vật liệu hiếm nhất dẫn điện mà hoàn toàn không có điện trở và nhiệt lượng bằng không.

Việc phát hiện ra “góc ma thuật” của graphene đã khiến cộng đồng khoa học nổi lên những làn sóng tranh cãi dữ dội. Mặc dù thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ cực thấp (gần 0 độ Kelvin hoặc âm 459,67 F), nó đã mở ra khả năng rằng bằng cách kết hợp graphene với các nguyên tố siêu dẫn khác, chúng ta đang tiến gần hơn đến hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ phòng. Một thành tựu như vậy sẽ cải thiện hoàn toàn hiệu quả năng lượng của mọi thứ, từ các thiết bị, ô tô đến toàn bộ lưới điện.

Làm thế nào mạnh công nghệ biến đổi Graphene?​

Siêu dẫn vẫn còn nhiều thập kỷ nữa, nhưng các sản phẩm dựa trên graphene mang tính cách mạng sẽ sớm ra mắt thị trường sớm hơn nhiều . Đến năm 2024, sẽ có nhiều loại sản phẩm graphene trên thị trường, bao gồm pin, quang tử, máy ảnh nhìn ban đêm và hơn thế nữa.

Người tiêu dùng đã háo hức chờ đợi pin làm từ graphene trong nhiều năm. Các pin lithium-ion trong tất cả các tiện ích của chúng tôi là tương đối chậm chạp trong việc phụ trách, mất nước của họ một cách nhanh chóng và ghi ra sau khi một số thiết lập của chu kỳ. Đó là bởi vì quá trình điện hóa cung cấp năng lượng cho pin lithium-ion tạo ra rất nhiều nhiệt.

Nhưng vì graphene là chất dẫn điện hiệu quả nhất thế giới, nên nó tạo ra ít nhiệt hơn khi sạc hoặc phóng điện. Pin dựa trên Graphene hứa hẹn cho tốc độ sạc nhanh hơn gấp 5 lần so với lithium-ion, tuổi thọ pin dài hơn 3 lần và số chu kỳ sử dụng gấp 5 lần trước khi cần thay thế.

Các công ty điện tử như Samsung và Huwei đang tích cực phát triển pin dựa trên graphene cho điện thoại thông minh và các thiết bị khác, nhưng thời điểm sớm nhất sẽ được tung ra thị trường là năm 2021. Còn đối với pin graphene trong ô tô điện – thứ có thể làm tăng đáng kể bán kính lái của chúng – thì vẫn còn vài năm nữa. Toàn bộ ngành công nghiệp đã được xây dựng trên công nghệ lithium-ion và nó sẽ không thay đổi trong một sớm một chiều.

Một công ty sản xuất và bán chip graphene và graphene nguyên chất đx và đang áp dụng tính chất ưu việt của graphene trong ngành công nghiệp pin, mặc dù thị trường này còn rất bảo thủ. Graphene có thể thay đổi thành phần của pin một vài lần sau mỗi 5 đến 10 năm, điều này gây khó khăn cho việc giới thiệu các sản phẩm mới trong ngành này.

Có một số loại pin làm từ graphene trên thị trường, bao gồm một số bộ sạc có dây và không dây, nhưng đó chỉ là phần nổi của tảng băng. Một sự hợp tác trị giá 1 tỷ euro của Liên minh Châu Âu để tăng tốc độ phát triển của công nghệ graphene đã được xúc tiến. Các đối tác nghiên cứu với Flagship đang sản xuất pin graphene có hiệu suất vượt trội hơn các tế bào năng lượng cao tốt nhất hiện nay bởi 20% dung lượng và 15% năng lượng. Các nhóm khác đã chế tạo pin mặt trời dựa trên graphene có hiệu quả hơn 20% trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Các sử dụng khác cho Graphene​

Trong khi pin graphene có thể là lần đầu tiên được tung ra thị trường, các nhà nghiên cứu đang bận rộn phát triển vô số ứng dụng khác cho vật liệu kỳ diệu này.

Cảm biến sinh học là một vấn đề lớn. Hãy tưởng tượng một con chip cực kỳ mỏng và linh hoạt có thể được tiêm vào mạch máu để theo dõi dữ liệu sức khỏe theo thời gian thực như mức insulin hoặc huyết áp. Hoặc một giao diện graphene gửi tín hiệu qua lại não bộ để phát hiện cơn động kinh sắp xảy ra hoặc thậm chí ngăn chặn nó. Cảm biến mỏng, có thể co giãn cũng có thể được đeo trên da hoặc dệt vào vải của quần áo.

Thậm chí, có một phát minh mới về pin mặt trời bán trong suốt chi phí thấp với điện cực graphene tại Đại học Poly ở Hung Hom, Trung Quốc, 2015.

Quang tử là một lĩnh vực khác đã kết hợp graphene. Bằng cách tích hợp graphene vào chip nhạy sáng, máy ảnh và các cảm biến khác có thể cải thiện đáng kể độ nhạy đối với cả những sóng ánh sáng yếu nhất trên quang phổ nhìn thấy và không nhìn thấy. Điều đó sẽ không chỉ cải thiện chất lượng hình ảnh của máy ảnh và kính thiên văn, mà còn cả hình ảnh y tế.

Lọc là một ứng dụng đầy hứa hẹn khác của graphene. Các bộ lọc lọc nước đơn giản được chế tạo bằng polyme graphene có thể bám vào các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước uống. Các nhà nghiên cứu tại Graphene Flagship cũng đã tạo ra công nghệ khử muối dựa trên các điốt graphene có thể loại bỏ hơn 60% muối từ nước biển cho các mục đích sử dụng nông nghiệp và khác.

Tất cả những phát triển này sẽ cần thời gian, nhưng graphene sẽ sống đúng với sự cường điệu của nó.