Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ tư, 24/12/2008 01:17 (GMT+7)

Bút chì và graphen

Cây bút chì rất đơn giản nhưng lại liên quan đến nhiều chuyện trên trời, dưới đất và những công nghệ cực kỳ hiện đại. Chuyện trên trời vẫn lan truyền trên mạng là Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ đã chi hàng triệu đô la cho đề tài nghiên cứu làm ra được cái bút viết trong điều kiện không trọng lượng để các nhà du hành vũ trụ ghi chép khi bay trên quỹ đạo. Một thời gian lâu sau khi đề tài triển khai thì người ta mới biết rằng cây bút mà các nhà du hành Liên Xô dùng ở con tàu vũ trụ là cây bút chì thông thường. Chuyện chưa chắc đúng hoàn toàn nhưng nhiều người vẫn thích kể xem như một thí dụ về khả năng giải quyết nhữn vấn đề rất phức tạp bằng những phương tiện đơn giản, rẻ tiền.

Chuyện dưới đất liên quan đến cái tên gọi. Suy ngẫm một chút thì thấy có điều lạ ai cũng biết khi gọi cây bút mực là vì có chấm mực, đổ mực vào thì mới viết được, vậy ở cây bút chì thì kim loại chì ở đâu, chẳng lẽ chỉ liên quan đến màu xám đen của kim loại chì?

Thực sự là cây bút chì liên quan đến kim loại chì, nhưng là do nhầm lẫn. Vào thế kỷ 16 ở nước Anh người ta phát hiện ra rất nhiều quặng mỏ màu đen, nặng người ta đặt tên là plumbago,từ la tinh có nghĩa là quặng chì.Người ta dùng những thỏi nhỏ quặng này để đánh dấu, đặc biệt đánh dấu lên những con cừu để phân biệt từng con, từng lứa trong bầy đàn. Cho đến năm 1779 các nhà hóa học người Thụy Sỹ mới cho biết rằng plumbagolà chất cacbon, không có liên quan gì đến chì cả. Sau đó các nhà địa chất Đức đề nghị gọi tên quặng mỏ đó ở Anh là graphit,từ Hy Lạp có nghĩa là viết.Thời gian này những nhà chế tạo vũ khí ở Anh thấy graphit nghiền nhỏ như bột là vật liệu cực tốt để thoa vào bên trong các khuôn đúc đạn đại bác, đạn đúc rất dễ lấy ra, bề mặt trơn tru. Đây được xem là bí mật quân sự của Anh. Trong thời gian chiến tranh với Napoléon, Hoàng gia Anh cấm vận không được chở graphit sang Pháp.

Tuy nhiên graphit từ Anh cũng được xuất lậu ra nhiều nước để làm dụng cụ viết. Ban đầu người ta cưa cắt từ nguyên mẫu quặng graphit để làm ra các thỏi nhỏ và kiếm vật liệu bọc ngoài cho đỡ gãy, khi hình tròn khi hình vuông. Về sau có kỹ thuật nghiền graphit thành bột nhỏ trộn với chất kết dính thích hợp, nén đùn ra thành cái lõi tròn… Thân bút phổ biến nhất làm bằng gỗ, hình trụ tròn. Cả thế giới đều dùng bút chì loại này.

Xưa nay cốt lõi của bút chì đen luôn luôn là vật liệu graphit mà tính chất của nó là do cấu trúc rất đặc biệt của loại quặng mỏ tự nhiên chỉ chứa cacbon này. Nguyên tố cacbon ký hiệu là C có rất nhiều trong các chất hữu cơ trên mặt đất cũng như ở trong lòng đất. Nguyên tử C có nguyên tử số là 6 vào loại khá nhẹ, vỏ điện tử có 6 electron.

Thông thường cacbon ở dạng vô định hình, than củi ở xó bếp là một thí dụ điển hình. Các nguyên tử ở đây liên kết với nhau rời rạc, sắp xếp tùy tiện không có trật tự chặt chẽ nào cả. Than vô định hình mềm, màu đen dễ nát vụn ra thành bột than. Nhưng các electron của nguyên tử cacbon tự thân chúng rất dễ sắp xếp sao cho nguyên tử cacbon tạo ra 4 mối liên kết rất cân xứng trong không gian, kiểu như từ tâm của một tứ diện đều hướng ra 4 đỉnh, góc giữa hai mối liên kết kề nhau luôn đúng bằng 109 028’.

Vì vậy trong những điều kiện thích hợp, mối liên kết của nguyên tử cacbon này móc nối liên kết của nguyên tử bên cạnh (cùng chung điện tử, liên kết cộng hóa trị), cứ thế trong không gian chung quanh một nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử cacbon khác. Cả hàng tỷ hàng tỷ nguyên tử cacbon sắp xếp theo một trật tự rất chặt chẽ như vậy tạo ra thành cấu trúc kim cương (hình 1a). Kim cương thực ra chỉ gồm các nguyên tử cacbon nhưng liên kết với nhau toàn bằng liên kết cộng hóa trị nên rất cứng. Điều kiện để các nguyên tử cacbon kết tinh lại thành kim cương rất là khắc nghiệt: áp suất cực cao, nhiệt độ cực lớn. Vì vậy trên Trái đất chỉ có ít nơi có kim cương hình thành từ hàng triệu triệu năm về nước.

Các electron của nguyên tử cacbon còn có cách sắp xếp khác để cho mỗi nguyên tử cacbon chìa ra ba mối liên kết cân xứng trong mặt phẳng tạo thành ba góc liền kề bằng nhau, mỗi góc là 120 0. Theo kiểu này mỗi nguyên tử cacbon dễ dàng móc nối với ba nguyên tử cacbon khác trong mặt phẳng và cứ như thế các nguyên tử cacbon sắp xếp trong mặt phẳng như một lưới mắt cáo các hình lục giác, ở các đỉnh là các nguyên tử cacbon (hình 1b và 1c).

Về lý thuyết thì cứ tách tách mãi lớp graphit cuối cùng ta sẽ có được lá graphit (hình 2).

Cây bút chì khi viết lên giấy có cảm giác trơn tru là vì khi cọ xát với giấy các lớp graphit của lõi chì bị trượt ra, tạo ra màu đen trên giấy trắng. Cái chổi than ở động cơ điện khi chà xát vào cái cổ góp bằng đồng cũng vậy. Các tấm mỏng graphit bị trượt ra có tác dụng bôi trơn, người ta gọi là chất bôi khô. Cần chú ý là khác với than thường hay kim cương, graphit dẫn điện rất tốt vì vậy có thể cho dòng điện khá lớn chạy qua chổi than, qua chỗ tiếp xúc đầy bột grapht để đến với đồng dẫn điện ở cổ góp. Graphit vừa là vật liệu dẫn điện vừa là vật liệu bôi trơn chuyên dùng trong kỹ thuật điện.

Kim cương và graphit từ hàng trăm năm nay là hai dạng tinh thể khá quen biết trong họ cacbon. Dạng kim cương thì quá sang trọng quý hiếm chuyên dùng để làm đồ trang sức. Dạng graphit thì tương đối bình dân, không có gì là quá đặc sắc so với nhiều vật liệu kỹ thuật khác. Hình ảnh về mạng lưới lục giác trong graphit thực ra được nói đến từ lâu nhưng cũng không ai nhấn mạnh, đặt tên làm gì. Tuy nhiên năm 1985 hai nhà khoa học Mỹ là Robert Curl và Richard E. Smalley cùng với nhà khoa học Anh là Hary Kroto phát hiện ra là cacbon có một dạng tinh thể nữa gọi là fullerene dạng như quả bóng đá, có những đặc tính mới, kỳ lạ (hình 1d và 1e). Sáu năm sau đó nhà vật lý Nhật là Sumio Iijima lại phát hiện một dạng tinh thể mới nữa của cacbon là ống nano cacbon (carbon nanotube) có nhiều tính chất còn kỳ lạ hơn. Fulơren và ống nanô cacbon trở thành vật liệu điển hình, mốt nhất của công nghệ nano. Sau một thời gian phát triển rầm rộ, các nhà khoa học mới thấy rằng cao hơn, bao trùm hơn fulơren và ống nano cacbon lại là graphen, chiếc lá mỏng nhất chỉ dày một lớp nguyên tử và chỉ gồm có nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác. Fulơren chẳng qua là graphen gói lại theo hình cầu, ống nano cacbon lại chính là graphen cuộn lại theo hình ống. Bản thân graphen là vật liệu nano mỏng nhất, hoàn chỉnh nhất có rất nhiều tính chất đặc biệt không vật liệu gì ở dạng khối nào có được. Và graphen mấy năm gần đây đã trở thành vật liệu tiên tiến nhất của công nghệ nano.

Chúng ta sẽ tìm hiểu cách chế tạo graphen, ứng dụng của graphen và cũng sẽ điểm qua ứng dụng của fulơren và ống nano cacbon trong kỳ tới.

Tuy nhiên cứ mỗi lần ta lấy cây bút chì viết lên tờ giấy, ta có thể tự hào là trong nét chữ của ta để lại trên giấy có rất nhiều mảnh graphen nhỏ, một loại vật liệu nano tiên tiến nhất hiện nay.

Xem Thêm

Phát triển nhân lực trẻ cho các lĩnh vực công nghệ chiến lược
Bộ Khoa học và Công nghệ được giao nghiên cứu, đề xuất cơ chế, chính sách phát triển nhân lực trẻ chất lượng cao trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo, hàng không vũ trụ và năng lượng nguyên tử, với thời hạn hoàn thành trong quý IV/2026.
Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Lào Cai: 52 đề tài xuất sắc sẽ được trao giải Cuộc thi lần thứ 21
Chiều 3/11, Ông Giàng Quốc Hưng - Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh, Chủ tịch Liên hiệp Hội tỉnh, Trưởng Ban Tổ chức Hội thi Sáng tạo kỹ thuật (Hội thi) và Cuộc thi Sáng tạo thanh, thiếu niên, nhi đồng tỉnh (Cuộc thi), chủ trì cuộc họp thống nhất công tác chuẩn bị tổng kết, trao giải Cuộc thi lần thứ 21 và phát động Cuộc thi lần thứ 22.
Cải cách hành chính và chuyển đổi số ở cơ sở cần thực chất hơn
Năm 2026, khi mô hình chính quyền địa phương hai cấp đi vào vận hành, cải cách hành chính và chuyển đổi số đặt ra yêu cầu cao với chính quyền cơ sở. Qua khảo sát tại phường Tuy Hòa, Cư Bao, xã Sơn Hòa, Sông Hinh, Ea Na và Yang Mao, Hội đồng tư vấn Dân chủ – Pháp luật thuộc Ủy ban MTTQ Việt Nam tỉnh Đắk Lắk ghi nhận nỗ lực của địa phương và những vấn đề cần tháo gỡ để nâng cao chất lượng phục vụ.
Tôn vinh tinh hoa đạo học, tiếp nối mạch nguồn hiền tài dân tộc
Từ ngày 5 - 15/11, thành phố Hà Nội tổ chức chuỗi hoạt động kỷ niệm 950 năm thành lập Quốc Tử Giám (1076–2026), với nhiều chương trình văn hóa, nghệ thuật, triển lãm, trải nghiệm di sản và hội thảo khoa học. Đây là dịp tôn vinh những giá trị bền vững của nền Quốc học Việt Nam, khơi dậy truyền thống hiếu học, tôn sư trọng đạo và tinh thần trọng dụng hiền tài.
Đắk Lắk: Phản biện hồ sơ Dự án nhà máy điện gió, điện mặt trời
Sáng 29/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Hội đồng góp ý, phản biện xã hội và phản biện khoa học đối với hồ sơ đề nghị chấp thuận chủ trương đầu tư Dự án Nhà máy điện gió E&M Đắk Lắk tại xã Ea Knốp và xã Cư Prao; Dự án Nhà máy điện mặt trời Jang Pông 2 tại xã Ea Wer.
Góp ý Luật luật An toàn, vệ sinh lao động: Lấy bảo vệ con người và quản trị rủi ro làm trung tâm
Ngày 30/10/2026, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp Hội Khoa học Kỹ thuật An toàn Vệ sinh Lao động Việt Nam (VOSHA) tổ chức Hội thảo "Góp ý dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật An toàn, vệ sinh lao động". Hội thảo do PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch VUSTA và GS.TS Lê Vân Trình, Chủ tịch VOSHA đồng chủ trì.
VUSTA công bố các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt
Ngày 30/10/2026, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã trang trọng tổ chức Hội nghị công bố các quyết định quan trọng về công tác cán bộ. Lãnh đạo VUSTA đã trao quyết định nghỉ hưu hưởng chế độ cho 02 cán bộ, chuyên viên, đồng thời trao các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong giai đoạn mới.
Liên hiệp Hội Việt Nam hưởng ứng tháng “Vì người nghèo”
Sáng 27/10, tại Hội trường xã Quốc Oai, Khối thi đua các tổ chức thuộc lĩnh vực Khoa học - Kinh tế - Pháp luật - Giáo dục - Đối ngoại thuộc Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam phối hợp với Ủy ban MTTQ Việt Nam thành phố Hà Nội, Hội Luật gia thành phố Hà Nội và xã Quốc Oai tổ chức Hội nghị “Nghe dân nói, nói dân nghe” và thực hiện Tháng cao điểm vì người nghèo 2026.
Thủ tướng mong muốn đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng kiến tạo chuỗi giá trị mới
Phát biểu tại Diễn đàn Kinh tế mùa Thu 2026, Thủ tướng Lê Minh Hưng khẳng định Việt Nam mong muốn các đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng nghiên cứu, phát triển công nghệ, đổi mới sáng tạo và kiến tạo những chuỗi giá trị mới.
Tạo động lực tăng trưởng xanh từ khoa học, công nghệ
Chính phủ Việt Nam nhiều lần khẳng định quan điểm "không đánh đổi môi trường lấy tăng trưởng kinh tế". Trong bối cảnh đó, việc giải quyết hài hòa mối quan hệ giữa yêu cầu tăng trưởng nhanh và bảo vệ môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu thông qua các giải pháp khoa học, công nghệ đang trở thành yêu cầu cấp thiết hiện nay.
Hội nghị Đoàn Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam lần thứ nhất (khóa IX)
Chiều 28/10, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tổ chức Hội nghị Đoàn Chủ tịch lần thứ nhất (khóa IX), nhiệm kỳ 2026 - 2031. Hội nghị tập trung thảo luận, đóng góp ý kiến vào các dự thảo văn bản nền tảng quan trọng, đánh giá kết quả hoạt động từ sau Đại hội IX, đồng thời đề ra nhiệm vụ trọng tâm đến cuối năm 2026.
Hội nghị BCH Đảng bộ Liên hiệp Hội Việt Nam tháng 10/2026: Tập trung lãnh đạo, chỉ đạo triển khai các nhiệm vụ trọng tâm
Sáng 28/10, tại Hà Nội, Đảng ủy Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) tổ chức Hội nghị Ban Chấp hành Đảng bộ nhằm đánh giá kết quả công tác tháng 10, xác định nhiệm vụ trọng tâm tháng 11/2026 và triển khai một số nội dung quan trọng liên quan đến công tác xây dựng Đảng.