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.